什么是量子纠缠？一位物理学家解释

爱因斯坦的 "远距离幽灵行动"

cnBeta.COM2022-12-20ugmbbc 的报道 

三位研究人员因其在理解量子纠缠方面的开创性工作而被授予2022年诺贝尔物理学奖，这是自然界最令人困惑的现象之一。量子纠缠，用最简单的话来说，意味着纠缠对中的一个粒子的某些方面取决于另一个粒子的某些方面，无论它们相距多远或它们之间有什么。这些粒子可以是电子或光子，一个方面可以是它所处的状态，例如它是否在一个方向上"旋转"。

量子纠缠的奇怪之处在于，当你测量纠缠对中的一个粒子的一些情况时，你会立即知道另一个粒子的一些情况，即使它们相隔数百万光年。两个粒子之间的这种奇怪的联系是瞬间的，似乎打破了宇宙的一个基本规律。这就是为什么阿尔伯特-爱因斯坦把这种现象称为"远距离的幽灵行动"。

科学家花了20年的时间进行植根于量子力学的实验，已经接受了它的奇怪之处。由于越来越精确和可靠的仪器以及今年的诺贝尔奖获得者阿兰-阿斯佩克、约翰-克劳瑟和安东-泽林格的工作，物理学家现在以一种特殊的确定性将量子现象纳入他们对世界的认识。

然而，甚至直到20世纪70年代，研究人员对量子纠缠是否是一种真实的现象仍然存在分歧。而且理由很充分--谁敢反驳伟大的爱因斯坦，他自己也怀疑过这个问题？新的实验技术的发展和大胆的研究人员最终揭开了这个谜团。

根据量子力学，粒子在被观察到之前同时处于两种或更多的状态--薛定谔著名的思想实验生动地捕捉到了这种效果，即一只既死又活的猫同时存在。

同时存在于多种状态中

要真正理解量子纠缠的诡异之处，首先必须了解量子叠加。量子叠加是粒子同时存在于多种状态的想法。当进行测量时，就好像粒子选择了叠加状态中的一种。

例如，许多粒子有一个被称为自旋的属性，对于分析仪的一个给定方向，它被测量为"向上"或"向下"。但在你测量一个粒子的自旋之前，它同时存在于自旋向上和自旋向下的叠加中。

每种状态都有一个概率，而且有可能从多次测量中预测出平均结果。单个测量结果是上升还是下降的可能性取决于这些概率，但其本身是不可预测的。

虽然非常奇怪，但数学和大量的实验表明，量子力学正确地描述了物理现实。

两个纠缠的粒子

量子纠缠的诡异性来自于量子叠加的现实，对于在20世纪20年代和30年代发展该理论的量子力学奠基人来说，这一点很清楚。

为了创造纠缠的粒子，基本上需要把一个系统分成两个，其中各部分的总和是已知的。例如，你可以将一个自旋为零的粒子分成两个粒子，这两个粒子的自旋必然相反，所以它们的总和为零。

1935年，阿尔伯特-爱因斯坦、鲍里斯-波多尔斯基和内森-罗森发表了一篇论文，描述了一个思想实验，旨在说明量子纠缠的一个看似荒谬的问题，挑战了宇宙的一个基础法则。

这个思想实验的一个简化版本，归功于大卫-博姆，考虑了一个叫做π介子的粒子的衰变。当这个粒子衰变时，它会产生一个电子和一个正电子，它们的自旋是相反的，并且相互远离。因此，如果电子的自旋被测量为向上，那么正电子的自旋被测量只能是向下，反之亦然。即使这些粒子相距数十亿英里也是如此。

如果对电子自旋的测量总是向上的，而对正电子自旋的测量总是向下的，这就很好。但由于量子力学的原因，每个粒子的自旋在被测量之前都是部分向上和部分向下。只有当测量发生时，自旋的量子状态才会"坍缩"为向上或向下--瞬间将另一个粒子坍缩为相反的自旋。这似乎表明，粒子通过某种移动速度超过光速的方式相互沟通。但根据物理学定律，没有什么能比光速更快。当然，一个粒子的测量状态不能瞬间决定宇宙远端的另一个粒子的状态？

包括爱因斯坦在内的物理学家在20世纪30年代提出了一些关于量子纠缠的替代解释。他们的理论是，有一些未知的属性--被称为隐藏变量--在测量之前就决定了粒子的状态。但在当时，物理学家没有技术，也没有明确的测量定义，无法测试量子理论是否需要修改以包括隐藏变量。

驳斥一个理论

直到20世纪60年代，才有了任何关于答案的线索。约翰-贝尔，一位杰出的爱尔兰物理学家（没有活到获得诺贝尔奖的那一天）设计了一个方案来测试隐藏变量的概念是否有意义。

贝尔提出了一个现在被称为"贝尔不等式"的方程，该方程对于隐藏变量理论总是正确的--而且是唯一正确的--而对于量子力学则不一定。因此，如果在现实世界的实验中发现贝尔方程不被满足，就可以排除局部隐变量理论对量子纠缠的解释。

2022年诺贝尔奖得主的实验，特别是阿兰-阿斯佩克特的实验，是对贝尔不等式的首次检验。这些实验使用了纠缠的光子，而不是像许多思想实验中那样使用电子和正电子对。实验结果最终排除了隐藏变量的存在，这种神秘的属性会预先决定纠缠粒子的状态。总的来说，这些实验和许多后续实验证明了量子力学的正确性。物体可以以量子力学之前的物理学所不能解释的方式在大范围内相互关联。

重要的是，这与禁止超光速通信的狭义相对论也没有冲突。在遥远的距离上的测量是相关的，但这并不意味着信息在粒子之间被传输。相隔遥远的双方对纠缠的粒子进行测量，不能利用这一现象以超过光速的速度传递信息。

今天，物理学家继续研究量子纠缠并调查潜在的实际应用。尽管量子力学能够以令人难以置信的精确度预测测量的概率，但许多研究人员仍然怀疑它是否提供了对现实的完整描述。不过，有一点是肯定的。关于量子力学的神秘世界，仍有许多东西需要说明。

作者：Andreas Muller，南佛罗里达大学物理学副教授。