浪漫界的“天花板”：量子科学家与纠缠！

量子纠缠（Entanglement）一直被认为是科学中最棘手的概念之一，虽然已经百年的发展，无数大师都在上面霍霍磨刀，出了很多成果，当然质疑的声音也没有停止。

真正理解其本质，却需要一个漫长的过程。虽然核心问题很简单，但因为它超越了我们生活经验的范围，所以理解起来仍然云里雾里，似懂非懂。

或者大部分时候，普通人会说懂了，但真实的情况是，懂了也只是自己认为懂的那部分（有可能理解了并非是量子的相关性，而是经典的相关）。

事实上，给普通人解释和畅聊量子纠缠，就如同给俊男靓女在没有任何情感经历的情况下，向他们解释爱情的“苦”（虽然这个比喻不一定很恰当，但在这个特殊的日子，为了应景），在没有任何情感经验感知的他们来说，只能联想到嘴巴里吃过药物那种舌尖上酸涩的苦，很难理解那种全方位多维度的苦（因为超越了经验感知）。

借这个比喻，第一次参与庆祝Valentine's Day并顺利走上幸福巅峰的年轻读者，也许就可以有机会感知，从经典世界跨越到量子世界的差异是什么？

一旦理解了量子纠缠，感知到了量子纠缠的魅力，就开启了对诸如量子理论中诡异“多世界”等概念更为丰富的理解。

更为重要的是，这是量子计算机研究的必备基本认知。

那什么是量子纠缠？这个被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的奇妙东西，到底是什么奥妙在其中蕴含？借助这个节日，放松心情一起盘一盘！

1. 量子纠缠的起源

量子纠缠是在客体变得很小很小尺度的时候，换句话说是在量子尺度内看到的超级怪异的现象。

当两个或更多的粒子以某种方式联系在一起时，无论它们在空间上相隔多远，它们的状态都保持着神奇的联系。

这意味着它们共享一个共同的、统一的量子状态。因此，对其中一个粒子的观察可以自动提供另外的一个纠缠粒子的信息（当然，如果是超过两个粒子的纠缠，其他粒子的信息也会获取），无论它们之间的距离如何的远。

对其中一个粒子的任何操作都会无一例外地影响纠缠系统中的其他粒子。

量子纠缠示意图（来源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY）

第一个使用“纠缠”这个词的物理学家是埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger,），他是量子力学的开山祖师之一。

他就是那个给大家带来那只不死不活的薛定谔的猫咪（Schrödinger's Cat ）的青年才俊，让几代人寝食难安，百思不得其解。什么是“即是死的，又是活的”？害得人们解释量子叠加的时候，开篇就说0和1同时存在，以至于带来了对本质性问题的歧义理解。

他将纠缠描述为量子力学最本质特点，认为纠缠的存在完全背离了经典的思维方式。

2. 什么是EPR 悖论？

正如爱因斯坦、Podolsky和Rosen所发现的，纠缠似乎是瞬间的。

一旦你知晓了一个量子态，你就会立马知道任何与之纠缠粒子的量子态。

原则上，你可以把两个纠缠的粒子放在银河系的两端，仍有这种瞬时关联，这似乎违反了光速的限制。

这一结果[2]被称为EPR悖论（EPR paradox），EPR是Einstein, Podolsky and Rosen三大佬名字首字母的缩写，爱因斯坦将这一效应称为 "鬼魅般的超距作用"。

他本来是用这个悖论来证明量子理论是不完备的（Incomplete）。但实验一再证实，纠缠在一起的粒子确实相互影响，不受距离的限制，而量子力学至今仍得到完整的验证。

大佬永远是大佬，因为他的反作用力，把量子纠缠反推上了正轨。

对于这个悖论，目前还没有公认的解决办法。

然而，尽管纠缠系统没有保持局域性，但它们确实遵循因果关系，意味着出现这样的情况是有原因的。

远方粒子的观察者不知道本地观察者是否扰乱了纠缠系统，反之亦然。他们必须以不超过光速的速度相互交换信息来确认。这也说明了，量子纠缠并不能做到超光速的有效通信。

换句话说，光速带来的信息传递限制仍然适用于纠缠系统，虽然你可以知道一个远方粒子的状态，但你不能以超过光速的速度交流这一信息。

3. 如何制备量子纠缠?

粒子纠缠的现象，除了本身自然存在的之外，纠缠是可以制备的。

纠缠粒子有很多方法。比如其中一种方法是冷却粒子并将它们放在足够近的地方，使它们的量子态（代表位置的不确定性）重叠，使人们无法区分一个粒子和另一个粒子。

另一种方法是依靠一些亚原子的过程，如核衰变，就可以自动产生纠缠的粒子。NASA有过这样的说明[3]，也有可能通过分裂单个光子并在此过程中产生一对光子，或者通过在光纤电缆中混合成对的光子，来创造纠缠的光子对，或者光的粒子。

当然，对于制备低温固态量子计算的玩家来说，制备量子纠缠就太容易不过了。

在量子计算芯片里，普通用户只需要拖动几条线，就可以制备纠缠态了。也即是说，人们可以轻松的制作纠缠，无论是中科院或本源量子提供在线的超导量子计算机，还是量旋公司提供售卖的核磁共振量子计算设备，亦或是国仪量子售卖了上百台远销海外的金刚石量子计算机，制备纠缠已经是他们的基本操作，而且就是动动鼠标的事情。

4. 神奇的量子隐形传态

隔空取物，瞬时传送，这种诡异的行为，就是出自基于量子纠缠的量子隐形传态（Quantum teleportation）。

与通常使用的 "传送 "不一样，“量子传送”并不涉及粒子本身的移动（这个很关键）。

在“量子传送”中，一个量子状态的信息被远距离传送并复制到其他粒子上去了。

这听起来貌似有些复杂，你可以想象一下，你和你对象（爱人）一个在上海，一个在北京，当你们从合肥过完情人节分开的时候，从一个大箱子里各自拿走了一个小盒子，这个小盒子特殊处理过的，他们能纠缠起来。这时候，你回到上海的家里，往你的盒子里放入一枚“量子巧克力”，远在北京的你的另一半，打开盒子的时候，居然……直接收到了。

而这个如梦幻一般的操作，一直是量子科学家们脑海里再简单不过的基本能原理，但现实里目前还不能传送真正的巧克力。

但是这心中所知，即蕴含这份浪漫。

5. 量子研究者的浪漫

当双手放下Sakurai写的《现代量子力学 》，然后仰望夜空，脑海里浮现出李商隐“身无彩凤双飞翼，心有灵犀一点通”的诗句。

那种意境，从理性到感性如量子隐形传态般的瞬移，然后摸了摸头上蕴含学问有点稀疏的头发（笑），同时也多了几份乔布斯思索世界超越时间的禅意。

所以当我问你，什么职业的人最懂浪漫？

你可能会说是诗人、是运动员、是艺术家、是马云（抱歉，此处略过）。

我想说是量子科学研究者们，因为他们行在“虚”的世界里（中国科大首次实验排除实数形式的标准量子力学），还时刻不忘记给人们讲解这才是“实”的世界，本身就已经是诗人和艺术家。

而量子科学工作者，与纠缠天生就“纠缠不清”，但是又不离不弃，无怨无悔，这才是真正的天长地久的内涵，浪漫界的天花板。

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Ref：

引用：

[1]https://www.livescience.com/what-is-quantum-entanglement.html

[2]https://www.aps.org/publications/apsnews/200511/history.cfm

[3]https://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/23jan_entangled.html

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