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世界上总会有更奇妙的东西存在，等待我们去发现。所以，某种意义上讲，遗憾肯定是存在的，我们应该懂得享受幸福，而不应该没有发现更奇妙的东西而有任何遗憾。而量子纠缠或许就是当今科学家最美妙的东西，当然也是目前科学界的遗憾，如果能够破解量子纠缠的本质，那将是最美妙的事情。首先，量子纠缠到底是什么？简单来讲，当两个或多个粒子发生相互作用之后，单个粒子所拥有的属性已经转换为整体属性，这时候就无法描述单个粒子的属性，只能描述整体属性，这种现象就被称为量子纠缠。拿宏观世界来打个比方，有两只鞋子，本来毫无关系，如果这两只鞋子发生相互作用，也就是组成了一双鞋子，这时候就相当于量子鞋子发生了“纠缠”，我们只能描述一双鞋的属性了，单个鞋子的特性就会被掩盖。当然，这个比喻不太严谨，大家明白就行了。这里强调一点，量子纠缠是只会作用于量子系统里，而在经典力学中，并不存在这种现象。举个例子，假如一个自旋为零的基本粒子发生了衰变，衰变成以相反方向自旋的粒子，一个向上，另一个向下。当我们测量其中一个粒子时，如果测量到的自旋方向为上，那么另外一个粒子的自旋方向必定为下，反之亦然。也就是说，不管把这两个粒子分开有多远，哪怕分别位于宇宙的两端，只要我们对其中一个粒子进行测量，比如说得到的自旋方向为上，那么立刻就能知道另外一个粒子的自旋方向为下。更不可思议的是，在我们对其中一个粒子进行测量时，另外一个粒子好像能瞬间感应到我们的测量行为，立刻表现为相应的自旋方向，而科学家并没有发现两者之间有任何信息传递极致，一切都是瞬间完成的。而且，当我们测量的一瞬间，这两个原本纠缠中的粒子就失去了关联，不再彼此发生纠缠，就像是从无话不谈的朋友，瞬间变成“陌生人”一样。看到这里，你应该会明白量子纠缠有几个特点。第一，量子纠缠只会发生在微观世界，在现实世界里是找不到的，但仅仅是目前找不到，未来或许能够发现，或者说因为宏观世界的物体质量太大了，纠缠现象非常不明显罢了，所以我们发现不了宏观世界的纠缠现象。第二，发生纠缠的粒子必须是两个或者以上的量子系统。而系统本身就是整体性，所以说发生纠缠的量子是一个整体，拎出来一个单独的粒子去讨论其实是没有意义的。第三，量子纠缠的速度和距离问题。理论上不管多远，量子纠缠现象都能发生，但实际上要让两个或多个粒子在现实中保持纠缠是很难的事情，因为现实中存在太多的干扰，很多干扰是根本无法排除的，而任何形式的干扰都可能影响到纠缠粒子的整体性，实际上就相当于观测行为，而任何观测行为都可能让纠缠状态立刻中止。中国科技大学教授潘建伟，在研究量子态隐形传输方面颇有建树，早在2005年，潘建伟领导的小组就实现了13公里远的自由空间双向量子纠缠“拆分”和发送，创造了新的世界纪录。而到了2007年，清华大学研究小组又把这个距离扩大到16公里，并在2009年实现了当时最远距离的量子态隐形传输。以上这些研究也为中国未来的全球化量子通讯系统奠定了坚实的基础，同时也证实了量子态隐形传输的确实具有可行性。但从量子态隐形传输的距离能够看出，现实中量子纠缠的距离其实是非常有限的，要想实现更远的量子纠缠基本不可能，对各方面的要求太高了，人类根本就做不到。看到这里，或许很多人会有这样的疑问：如何制造出相互纠缠的粒子呢？科学家是地球上最聪明的一群人，他们肯定有办法。其实方法也并不难，当然是操作起来会比较复杂， 但是原理很容易理解。用激光束照射在偏硼酸钡晶体上，就能制造出很多相互垂直的偏振光子，实际上就是纠缠光子对。从中我们也能够看出，量子纠缠并不是随便就能发生的，有很强的“同源”规则，并不是随随便便拿出两个手电筒，打开手电筒之后，光子们就会自动发生纠缠，远没有这么简单。其实一开始量子纠缠现象并没有引起足够的重视，甚至被认为是量子力学的“漏洞”，而爱因斯坦也曾经用量子纠缠这个“漏洞”质疑量子力学的不完备性，认为一定还存在其他未被发现的隐变量。这还要从EPR悖论开始说起，为了论证量子力学的不完备性，爱因斯坦，罗森和波多尔斯基三人合作完成了一篇著名的论文《论量子力学的不完备性》。EPR，分别是以上三位科学家名字的首字母。而薛定谔在阅读了那篇论文之后，首次提到了“纠缠”这个词语，之后，量子纠缠才开始被越来越多提到，用于描述量子世界里两个耦合的粒子之间的关系。其实无论是薛定谔还是爱因斯坦，对量子纠缠的概念都很不满，原因很简单，就是因为量子纠缠看起来违反了经典世界里的光速限制，爱因斯坦甚至讽刺量子纠缠现象为“鬼魅般的超距作用”。EPR论文的主要目的是为了用传统的经典物理学代替看起来不可思议的量子力学，具体来讲就是通过建立定域性隐变量来代替量子力学，定域性通俗理解就是光速限制。那么这个隐变量是否存在就成为问题的关键。如果隐变量存在，那么就能证明量子力学确实应该被经典物理取代，如果隐变量不存在，表明量子力学的诡异现象确实存在，不会被经典物理取代。时间到了1964年，著名物理学家约翰贝尔给出了自己的论文，结果表明量子力学的预测与定域性隐变量理论有很大不同。概括起来就是，如果两个粒子朝着不同的方向自旋，那么量子力学测量到的关联性要比定域性隐变量强不少。而贝尔不等式能定性地给出两者之间的差别，通过做实验也可以观测到这种差别，物理学家们确实做了很多实验来检验贝尔不等式。而实验结果与量子力学的预测相符，这意味着实验结果与定域性隐变量并不相符，所以爱因EPR论文提出来的隐变量理论并不成立。这也表明量子力学的很多诡异现象，比如说量子纠缠现象确实存在。通过科学家们的不懈努力，能够让距离更远的纠缠粒子保持纠缠态。比如说我们的墨子号量子实验卫星，在2017年就实现了距离1200公里远的量子纠缠。看到这里，可能你还有很多疑问，比如说，量子纠缠是否真的超光速了？如何运用量子纠缠来给信息加密？量子纠缠的机制到底是什么？可以明确告诉你，量子纠缠并没有超光速传播信息，但作用过程是瞬间完成的，甚至超过光速10000倍，不过严格来讲量子纠缠过程并没有传递任何信息，所以并没有违反爱因斯坦的相对论。就如刚开始所说，纠缠中的两个粒子就像一双鞋的左右两只鞋那样，当我们知道其中一只鞋是左鞋时，立刻就知道另一双鞋是右鞋，这个过程并不没有传递任何信息。说白了，量子纠缠描述的是整体系统，而非单个粒子，本来就是一个整体，就不存在所谓的距离问题。而网络上有些人会把量子纠缠定义为“心灵感应”，众所周知，心灵感应在我们看来是瞬间传递的，比如说双胞胎之间可能就会有某种心灵感应。其实这种东西有些玄乎，或许真的如此，但毕竟科学是严谨的，起码目前科学界并不认同量子纠缠与心灵感应之间的关系，我们可以这样思考，甚至可以以此写一篇科幻文章，都是可以的，但用来科普就不太合适了，毕竟科学是严谨的。当然，理论上的确能够利用量子纠缠来完成瞬移，只不过在实现瞬移之前需要把瞬移的人或者物体的信息传播到指定地点，而这个过程其实还要受限于光速，也就是说，还是经典物理学中的信息传播。举个例子，假如你在地球上，像瞬移到4.3光年外的比邻星上，该怎么办呢？首先需要把组成你身体的量子信息传播到比邻星上，这个过程需要4.3年时间。之后就可以利用量子纠缠原理，把你的量子信息通过纠缠的方式重组，这样你就能瞬间传递到4.3光年外的比邻星。只不过，这里存在一个逻辑甚至伦理上的问题，在地球上消失的你，与在比邻星上重组的你是否是一个人呢？从信息本身来讲，你们的组成结构的确是一样的，但你们的思想，经历和性格是否相同呢？这是一个大问题。也就是说，通过量子纠缠实现的瞬移，瞬移过去的只是你的身体，那么你的意识方面的东西会怎么样呢？我们并不知道。而平时我们所说的“量子通信”其实并不是利用量子纠缠来传递信息，而是用来给信息加密，也叫做“量子密钥分发”。具体什么意思呢？举个例子，纠缠中的粒子一旦被任何人观测，立刻就会发生坍缩，从纠缠态坍缩为本征态，而这种明显的变化立刻就会引起信息发送者的警觉，发送者立刻就会知道有人在窃取信息了，这时候就需要对信息重新进行加密，防止信息被窃取。能够看出，通过量子纠缠这种方式给信息加密，可靠性几乎是百分之百的，任何窃取信息的行为都会被瞬间发现。因为任何窃取信息的行为实际上就是在观测信息，而任何观测行为都会对纠缠中的量子产生影响。所以，“量子密钥分发”的方式给信息加密，完全不同于传统的信息加密技术。我们的传统信息加密技术，理论上完全可以破解而不被发现，但用“量子密钥分发”的方式加密之后，再高级的窃取行为都会瞬间被发现，让窃取信息者无处遁形！最后一个问题：量子纠缠的机制和本质到底是什么？其实我们没必要把量子纠缠现象看得太神奇，正如最开始所说，纠缠中的量子系统是由两个或多个子系统，也就是单个粒子组成的，而整体系统表现出来的物理性质，子系统是不可能表现出来的。也就是说，我们只能描述整体系统的物理性质，而子系统是不会体现出这种物理性质的。还拿一双鞋来打比方，一双鞋就是整体系统，而一只鞋就相当于子系统。对于我们来讲，一双鞋才有意义，才能表现出鞋子的物理性质，而一只鞋其实是没有这种物理性质的。说白了，两只鞋具有不可分性，分开了就失去了意义。当然，这只是打比方，你非要说“一只鞋也可以穿啊”，那就没有意思了。同时，这种不可分性与空间无关，所以无论将子系统放在多远相距多么遥远的地方，仍旧具有这种特性。显然这也凸显出了量子纠缠的不可分性与定域性的不同。在EPR悖论里，两个被分割很远的粒子，其整体系统仍旧是可分的。而量子纠缠系统则不同了，整体系统是不可分的。实际上这也像是“跷跷板”游戏，跷跷板永远是不可分的，两者是一个整体。说白了，纠缠中的粒子本质上还是一种东西，看起来是两个相距很远的东西，但它们仍旧是一个整体，用数学语言来表述就是，纠缠中的粒子仍旧用一个波函数来描述，这样就很好理解了，在一个波函数下，任何单个粒子的状态改变，势必瞬间会引起另一个粒子的状态发生相应改变。以上就是我对量子纠缠的解读，希望能让你对量子纠缠有全新的认识。也有人会提出更加疯狂的观点，认为量子纠缠现象来源于高维度，纠缠中的粒子通过高维度传递信息，而在高维度完全可以不受光速限制，所以纠缠中的粒子能瞬间感应到彼此。这种观点目前来看仍旧属于科幻层面，因为人类甚至不知道高维度到底存不存在，我们并不知道高维度在哪里，如何才能前往高维度。人类对量子力学和量子纠缠的完全认知还有很长一段路要走，量子力学发展了一百多年，至今科学家都没有弄清楚量子力学的真正本质。我们只知道量子世界里确实存在很多诡异现象，但并不清楚这些现象背后的真正本质。也就是说，对于量子力学，人类只知其然，但不知其所以然。但这并不妨碍利用量子力学为人类服务，比如说让人期待的量子计算机，一旦研究成功，对性能将会有颠覆性提升，完全碾压传统计算机。研究量子计算机的关键就在于实现尽可能多的量子接口之间的纠缠，说白了就是让尽可能多的量子对发生纠缠，这在实际操作中会很难，因为任何干扰都会中断量子之间的纠缠。清华大学曾经实现了25个量子接口发生纠缠，打破了世界纪录，不过这距离真正的量子计算机还有很长一段路。量子计算机速度为什么如此快？因为量子计算机的读取信息的方式与传统计算机完全不同。打个比方就知道了。假设有两捆电线，每捆电线都有100根，编号分别从1到100。我们要做的是，把两捆电线编号相同的电线连接起来，但我们并不知道每根电线的编号，比如挨根去找。那么，我们只能一根一根去试，这就是传统计算机的运行方式。到了量子计算机就不用如此麻烦了，由于纠缠中的量子能瞬间感应到彼此，所以编号相同的电线就能瞬间找到彼此进行连接。科学家们当然也不会停止对量子纠缠的研究，因为他们深知，其背后一定隐藏着更深的底层逻辑，有可能再次颠覆人类的传统认知。
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