全文共3689字，预计学习时长10分钟

图源：sciencenews

量子纠缠是一种经常被误解的现象。不了解它的人可能会认为这又是老生常谈了，明明用普通概率论就能轻易解释。而对于了解的人来说，它是一种令人毛骨悚然的神奇现象，以颇为神秘的方式解释现实的本质。

事实上，量子纠缠兼具以上两种特点。如果抛开现实世界的运作原理不谈，那么量子纠缠可以用普通概率理论来解释。虽然它可能会出现超距幽灵作用（spooky action at a distance），但只有当无法从多维角度思考它时，它才会成立。

首先，来讲讲什么是量子纠缠？简单地说，纠缠就是有两个及以上量子系统，比如光子，它们只有单个量子态。从专业角度而言就是，系统组合的冯·诺依曼熵要小于单个系统的熵。冯·诺伊曼熵是普通熵的量子模拟，描述了量子态处于“纯态”或“混态”的程度。

混态指的是普通概率，比如猜硬币正反的游戏。混态即是正面和反面的混合体，虽然看不见，但可以知道不是正面就是反面。因为硬币只有两种可能的状态，所以熵不为零（与log2成正比）。

纯态指的是状态的量子叠加，其中一个粒子同时处于两种或两种以上的状态。因此，若有一个量子态硬币在处于正面和反面的叠加态中，那就不能说它是正面或反面，在被观察到之前，它处于既是正面又是反面的状态。因为正面和反面是单个量子态而不是两个状态的混态，所以其熵为零。

要明确的一点是：它处于一种确定的状态，而不是两种可能的状态之一，尽管结果最终是随机的。

图源：Pixabay

一个纠缠态集意味着耦合系统作为一个整体是“纯态”而非“混态”（纯态的混合物也有，但此处不作讨论）。

这一点很重要，因为其有可能证明这样一个观点：当有两个纠缠的粒子时，比如从π介子衰变中得到的两个自旋相反的光子，测量其中一个，另一个必然是相关的，这取决于测量的哪个自旋方向的分量。

光子有两个自旋分量，例如x和y。如果测量垂直自旋分量，它们根本不相关。如果测量平行自旋分量，则是完全相反的。如果以其他角度进行测量，它们就会根据选择测量的角度的余弦值相关。

纠缠本质上就如同测量一个物体，而该物体会把测量到的信息传递给另一个物体，因为在另一个物体上测量的信息似乎取决于如何测量第一个物体。

假设创建两个光子，一个发送给笔者在四光年外的半人马座阿尔法星(A)的同事，另一个发送给反方向四光年之外的波尔星飞船(B)上的科学家。如果玻尔星的研究人员和半人马座阿尔法星的研究人员同时进行测量，他们会发现测量结果相互关联。然而，即使信息以光速传播，也来不及抵达彼此所在的位置。

接下来讲到的内容可能会稍显奇怪，但在这之前笔者还要讲一点关于量子力学中测量原理的题外话。

根据海森堡的测不准原理，在任一坐标系中，实验人员只能测量自旋的一个分量（描述这一现象的专业术语叫做“自旋分量不交换”）。与位置和动量类似，一旦测量了单个粒子的一个自旋分量，就无法测量另一个。但是却可以测量一个粒子的一个分量和另一个纠缠粒子的另一个分量，并通过结合这两个测量结果得出这两个粒子的完整自旋状态。

例如，若测得A的x分量是正的，B的y分量是负的，那么可以得出A的y分量是正的而B的x分量是负的。

爱因斯坦的波多尔斯基—波多尔斯基—罗森悖论称这是量子理论中的一个严重问题，但事实并非如此。毕竟，这并不是说你不可能知道单个量子粒子的完整自旋状态。你只不过不能基于单一的粒子同时测量二者罢了。

当对一个纯态的量子进行测量时，会使该状态“坍缩”成该状态的一个观测值。这意味着什么我们无从得知，但似乎测量这一行为（粒子与宏观测量仪器的相互作用）以某种方式从本质上使粒子从量子转变为经典概率。

再来回顾一下星际实验，A和B的相关结果并不罕见，因为这两个光子是一起产生的。问题是，它们是相互关联的，与两位实验者选择的自旋分量测量值之间夹角的余弦成比例。两者之间必然存在某种信息传递，否则这是不可能的。创建两个混态的自旋经典相关的光子（这意味着笔者只用了自己选择的自旋粒子）并将它们发送出去，在该角度上，二者呈线性相关。

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0314/615.html

上一篇：伊万卡推特转发中国达成“量子霸权”文章，遭
下一篇：与拉尔夫对谈量子技术与货币安全相爱相杀的故