量子纠缠态：从叠加态到量子信息科技

我们可以用量子密码给经典二进制信息加密。但是当我们需要传输量子比特时，就无法再使用量子密码了，而需要使用“量子隐形传态”。理解量子隐形传态，首先要理解量子纠缠。

量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，可以用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，即纠缠态。例如，有一种纠缠态就是无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。

用薛定谔的猫做比喻，就是A和B两只猫如果形成上面的纠缠态，如图2-11。

图2-11　用薛定谔的猫比喻量子纠缠

无论两只猫相距多远，即便在宇宙的两端，当A猫是“死”的时候，B猫必然是“活”；当A猫是“活”的时候，B猫一定是“死”（当然真实的情况是猫这种宏观物体不可能把量子纠缠维持这么长时间，几亿亿亿亿分之一秒内就会解除纠缠。但是基本粒子是可以的，比如光子）。

这种跨越空间的瞬间影响双方的量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。这就是著名的“EPR佯谬”。(www.xing528.com)

后来物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性原理基础上，提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用。不久物理学家贝尔提出了一个不等式，可以来判定量子力学和隐变量理论谁正确。如果实验结果符合贝尔不等式，则隐变量理论胜出。如果实验结果违反了贝尔不等式，则量子力学胜出。

表2-3　贝尔不等式的意义

但是后来一次次实验结果都违反了贝尔不等式，即都证实了量子力学是对的，量子纠缠是非定域的，而隐变量理论是错的，爱因斯坦的定域性原理必须被舍弃。2015年荷兰物理学家做的最新的无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣告了定域性原理的死刑。

一些新的理论研究指出，微观上的量子纠缠与宏观的热力学第二定律，即熵增定律有着密不可分的关系。微观系统产生的纠缠具有不可逆性，会导致信息的增加（例如一个量子比特所含的信息是零个比特，但是两个量子比特纠缠在一起，就会产生两个比特的冗余信息）。根据香农提出的信息论，系统熵正比于冗余的信息（即无用的信息），因此宏观系统熵的增加的根源很可能就来自微观的量子纠缠。

随着量子信息学的诞生，量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究，它已经成为量子信息科技的核心。例如，利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态，可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。