量子糾纏是什麼？構成我們宇宙的電子、光子和其他粒子彼此之間可以變得密不可分、“緊密相連” 在這種狀態下 跨越空間的連接 - 趣味新聞網

量子糾纏是什麼？

構成我們宇宙的電子、光子和其他粒子彼此之間可以變得密不可分、“緊密相連”，在這種狀態下，無論兩個粒子相隔多遠，在一個粒子身上觀測到的狀態，就能準確反映齣另一個“相連”粒子的狀態。這種聯係就被稱為 量子糾纏 。

量子糾纏發生在兩個係統（比如兩個粒子）相互作用時，它們的屬性也會隨即産生關聯。糾纏常常與另一種被稱為 疊加 的量子現象相輔相成。疊加就是粒子同時存在於兩種不同的狀態中，例如，光子可以同時顯示水平和垂直的偏振狀態。

為瞭簡化地理解這個問題，我們可以先想想兩個“糾纏”的硬幣。每個硬幣都藏在杯子下麵，隻要不掀開杯子，硬幣就一直在“鏇轉”，處於正麵和反麵的疊加狀態。一旦杯子被掀開，硬幣就將隨機變成正麵或反麵。

現在， 鮑勃 和 愛麗絲 兩人分彆帶著一個杯子來到不同的房間。如果愛麗絲先掀開她的杯子，並發現她的硬幣反麵嚮上（這個結果完全是隨機的），那麼當鮑勃掀開杯子時，也會發現反麵嚮上的硬幣。

如果他們再次閤上杯子重復這個實驗，硬幣又會迴到疊加狀態。愛麗絲再次掀開杯子，這次可能會發現她的硬幣是正麵的。那麼，我們可以預期鮑勃也會發現他的硬幣處於正麵。

真實存在的糾纏

1935年， 愛因斯坦 、 波多爾斯基 和 羅森 發錶瞭一篇關於量子糾纏理論概念的論文。幾位物理學傢描述瞭這個想法，但卻認為它給量子力學帶來瞭問題，使理論變得不完整。

當時，許多人都質疑糾纏是否正確，甚至愛因斯坦本人也並不相信兩個粒子可以在很遠的距離上保持聯係，稱它是“鬼魅般的超距作用”。他認為這需要它們以超過光速的速度進行交流，而他之前已經證明這不可能。

但多年來，在各種實驗中，研究人員已經産生瞭支持這一理論的糾纏粒子，糾纏已經毫無疑問地成為量子世界最具代錶性的詭異現象之一。

和愛麗絲和鮑勃的實驗類似，當研究人員將兩個光子糾纏在一起，然後在精確控製的條件下將每個光子發送到不同的方嚮，它們將繼續處於疊加狀態，同時水平和垂直地偏振。隻有當其中一個光子被測量時，兩個光子纔會隨機地得到兩種可能的偏振狀態中的一種。

物理學傢現在已經證明，糾纏可以跨越數百韆米。2017年，一顆名為“ 墨子號 ”的中國衛星將糾纏的光子發送到不同的地麵站，它們之間相隔1200多韆米，打破瞭糾纏粒子的距離記錄。

用實驗理解更多粒子的糾纏

量子關聯與普通的關聯大不相同。 隨機性是關鍵所在 。這種幽靈般的內在隨機性實際上正是睏擾愛因斯坦的問題，但它對量子世界的運作方式至關重要。

兩個糾纏的粒子的概念已經非常令人費解瞭，當涉及更多粒子時，情況還會變得更復雜。

例如，在人體等自然環境中，不是兩個，而是數百個甚至更多分子糾纏在一起，構成瞭一個交織的群體。在這些 多體糾纏 係統中，整體大於部分之和。用一種形象的比喻，糾纏就像一根綫，它穿過每一個單獨的粒子，並且指導它們如何相互連接在一起。對科學傢來說，真正的挑戰是要理解數百個甚至更多粒子，如何能夠以類似的方式相互聯係。

瞭解多體糾纏的第一步是在實驗室中創造並控製它 。從根本上來說，這非常難做到。即使將規模再縮小一些，也並不簡單。

比如，如果研究人員創建一個係統，産生瞭20個糾纏的粒子，然後他們嚮不同方嚮分彆發送10個，那麼他們就必須測量第一組10個粒子中的每一個是否和另一組中的每一個粒子都發生瞭糾纏。

有許多不同的方法來檢驗這些關聯，對這些係統的描述也格外復雜。為瞭解決這個問題，許多研究人員正在努力思考糾纏材料的計算錶示，它們要比現有的模型更簡單、更簡潔。

創建和控製量子係統的另一個睏難與它們 脆弱的性質 有關。就像被稱為“敏感植物”的含羞草一樣，當環境發生輕微變化時，糾纏態就很容易消失。

在實驗中，糾纏的粒子會迅速與它們周圍的環境發生糾纏，這就破壞瞭研究人員可能試圖研究或使用的原始糾纏態。即使是一個飛過實驗的雜散光子也可能摧毀整個實驗。在量子計算領域，這種脆弱性也會帶來很多問題，導緻計算錯誤。

萬物的根源

雖然糾纏是量子信息科學進步的關鍵，但它同樣是理論物理學傢格外感興趣的一個概念。

一些理論物理學傢認為， 空間和時間本身就是潛在的量子連接網絡的結果 。時空中的任何兩點，無論相隔多遠，實際上都是糾纏的。我們認為彼此更近的時空點，可能隻是比那些感覺更遠的點更“糾纏”而已。

近期更多推測認為， 糾纏可以看作量子引力中縫閤不同時空區域的綫 。這種糾纏與時空的聯係甚至可能有助於解決基礎物理學中最大的挑戰之一，那就是建立一個統一的理論，將 廣義相對論 的宏觀規律（引力）與 量子物理學 的微觀規律（亞原子粒子的行為方式）聯係在一起。

# 創作團隊：

撰文：M ka

排版：雯雯

# 參考來源：

https://magazine.caltech.edu/post/untangling-entanglement

https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2014/quantum-entanglement

https://theconversation.com/quantum-entanglement-what-it-is-and-why-physicists-want-to-harness-it-171608

# 圖片來源：

封麵圖/首圖：原理