量子纠缠：解锁粒子联系的秘密
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Kimberly Hickok
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量子纠缠是一种严肃的长距离关系。
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量子纠缠是当两个粒子无论它们在空间中分开多远以某种方式一起联系时。它们的状态仍然同一的。(Image credit: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images.)
量子纠缠是一种引人入胜、反直觉的现象在那里两个亚原子粒子即便被数十亿光年分开仍然深深的被联系。一个粒子中的变化瞬时的影响另一个粒子，不管它们之间的距离。
1964年，物理学家约翰·贝尔摆出了即便粒子是非常远分开的这种变化也能被瞬间的引诱和发生。这个被称为贝尔定理的突破性想法挑战既定的物理学原理。
更早几十年，阿尔伯特·爱因斯坦已经证明了没有信息能比光的速度更快。被这个矛盾困扰，爱因斯坦令人难忘的指纠缠为“在一个距离上的诡异行动”
由一位专家回答的量子纠缠问与答
我们问了马里兰大学联合量子研究所研究员、国家标准与技术研究所量子光学小组负责人阿兰（Alan Migdall）几个关于量子纠缠被频繁问到的问题。
什么是量子纠缠？
量子纠缠是当一个系统处于不止一种状态的“超位”时。但这些词意味什么呢？通常的例子会是一个抛硬币。你抛一枚硬币但不观察结果。你知道它要么是正面要么是反面。你只是不知道它是哪个。超位意味着它对你不只是未知的，它的正面或反面的状态甚至直到你观察它之前不存在（做一个测量）。如果这困扰你，你处在好伙伴中。如果这不困扰你，那么我已经没有足够清楚解释它。
你可能已经注意到我解释了超位不止纠缠。理由是你需要超位来理解纠缠。纠缠是一种特殊的涉及在空间中两个分开的位置的超位。硬币例子是在一个地方中两个结果的超位。作为一个纠缠（两个分开的位置的超位）的简单例子，它可能是一个光子遭遇一个50-50的分光器。在分光器之后光子可以是在路径A中或在路径B中。在这个案例中超位是在
路径A中一个光子和路径B中没有光子。
和
在路径A中没有光子和在路径B中一个光子。
之间
作为一个正常人类存在物，你认为它刚好是在一个中或另一个中，刚好你不知道是哪一个。但事实上直到你实际的测量它之前它在两者中。再一次正常人类存在物要说如果我测量它并在路径A中找到了它，即便我已经没有测量过它它在路径A中。但做出那个假设让你进入麻烦。在你实际测量它之前假设这个粒子有这种明确的特征导致测量的结果刚好不是可能的。
量子纠缠如何工作？
量子纠缠的一个例子是什么？
我工作的量子纠缠的一个例子涉及一个一次发射两个光子的光源。那两个一对的光子能被纠缠以便单个光子的偏振能是任何定向（即随机），但一对的光子总是有匹配的偏振。
什么是偏振？光的偏振依靠光波的电场。随光从一个点到另一个点旅行，它的电场对传播方向将横向的振荡。它可能在垂直平面、在水平平面在或其间中任何方向振荡。
回到那些纠缠对。因此，如果我测量光子A的偏振来看它是水平的还是垂直的偏振，我得到一个答案并发现这次是垂直的偏振。纠缠意味着当我测量是否它的孪生是水平的还是垂直的时我发现它的偏振也是垂直的。如果我做这个实验多次，我总是发现两个光子的偏振匹配，即便我发现它们匹配到的哪种偏振是随机的。（想象一对魔法加载的骰子。）因此，一个关键点是测量结果将是随机的，但如果我对双胞胎做出相同的测量，我将得到相同的随机结果。（再一次作为一个正常人类存在物这应该困扰你。）
量子纠缠比光速更快吗？
问关于速度是一个非常有趣的问题。作为一个“正常人类存在物”你可能认为，如果我测量一个光子的偏振，那个设定另一个光子的状态。只要其他光子测量发生在第一次测量之后这种想法是很好的。但已经有一个问题了。如果那第二个光子被在冥王星上测量，光可能要用6个小时来到达那里，因此因为信息不能比光速旅行的更快，第二个量子将不知道它应该是什么状态。但原来是无论什么时候它被测量了那个第二个测量始终匹配第一个。因此，似乎像必要的信息一定以比光速更快已经旅行了一样。大问题，但纠缠的诡异让它摆脱一个天文数字的超速罚单。
在纠缠的案例中，出现在你的冥王星测量站的信息不是有用的信息（在普通意义上）。它是随机的就像出自第一次测量的那个随机结果一样（但匹配随机）。因此，关键点是你可能不能利用作物歉收的消息在冥王星市场有时间来调整之前以超过光速的速度向冥王星上的股票经纪人发送买入或卖出订单。这是出现来比光速更快旅行唯一的“随机性”，因此银河交通警察只给你一个警告离开。
量子力学和纠缠的固有随机性是一种有用的资源。它允许您来解决两个问题。它保证随机性，并且它能被安排来保证它是新鲜的随机性。这两者都是重要的。例如，在彩票中我们都知道数字应该是随机的，但如果它们存在一个很长时间有人可以已经做出了它们的一个复制，然后他们会知道下一个来的数字是什么。
如果你有一种保证随机性被最近产生的办法，你最小化有人来破解你的系统并秘密复制这些数字的时间。然后有为量子计算中用纠缠的，但我将把它留给别人。
我们已经证明了量子纠缠吗？
50多年来，全世界的科学家测试了贝尔定理，但永远不能够完全实验这一理论。然而在2015年，三个不同的研究小组能够来进行贝尔定理的实在性测试，他们都发现了对基本想法的支持。
这幅漫画帮助解释纠缠粒子的想法。爱丽丝和鲍勃代表由美国宇航局喷气推进实验室和美国国家标准与技术研究所开发的光子探测器。
其中一项研究被科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所（NIST）的物理学克里斯特（Krister Shalm）领导。克里斯特和他的同事们用了冷却到低温的特殊金属条，这使它们超导的，意味着它们没有电阻。一个光子击中金属并在一瞬间将它转回成一个正常的电导体，科学家们能看到这发生。这项技术允许研究人员来看到毕竟他们的一个光子的测量如何影响在一个纠缠对中的另一个光子。
发表在《物理评论快报》杂志上的研究结果有力的支持贝尔定理。加利福尼亚州帕萨迪纳市美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的合著者弗朗西斯科（Francesco Marsili）在一份声明中说，“我们的论文和去年发表的另外两篇论文表明贝尔是对的：任何包含隐藏的变量的世界模型也一定允许纠缠粒子在一定距离上彼此影响，”。
量子纠缠用于什么？
除了来证明贝尔定理外，对这项工作有实际应用。美国宇航局官员说该实验中使用的“超导纳米线单光子探测器”（SNSPD）可被用于密码学和深空通信。
美国宇航局的月球大气层尘埃与环境探测器（LADEE）使命于2013年10月至2014年4月环绕月球，帮助了展示这种通信潜力的一些。月球大气层尘埃与环境探测器的月球激光通信演示用了在航天器上的组件和一个类似于超导纳米线单光子探测器的地面接收器。美国宇航局官员说，该实验表明了有可能来构建灵敏的更多的数据能够上传并下载到遥远的太空探测器的激光通信阵列。
量子纠缠实验可能帮助开发可用于深空的强大量子计算机。(Image credit: Getty Images)
额外资源
有关量子纠缠的更深入定义和探索查看Jed Brody的“量子纠缠（Quantum Entanglement (The MIT Press Essential Knowledge series)）”（Knopf，2008）。阅读Louisa Gilder的《纠缠时代：量子物理学重生之时（The Age of Entanglement: When Quantum Physics Was Reborn）》（Deckle Edge，2008）中关于量子纠缠的发现时生活像什么一样的引人入胜的故事。或者在卡尔·J·普拉特的《量子物理学入门：从波动理论到量子计算：通过量子物理和力学原理的简化解释理解一切是如何运作的（Quantum Physics for Beginners: From Wave Theory to Quantum Computing. Understanding How Everything Works by a Simplified Explanation of Quantum Physics and Mechanics Principles）》一书中，更广泛的看待量子物理学为一个整体(Independently published, 2021).
参考文献
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