庄子的鱼？额……捶！
关于庄子，可能我们记忆最深刻的就是鱼了。比如北冥的大鱼，以及庄子在桥上问：“桥下的鱼，你快乐吗？”
但今天我们要说的不是庄子的鱼，而是庄子的捶（音：chuí，意：木棍）。《庄子·天下》中有这么一句话，“一尺之捶，日取其半，万世不竭。”
意思就是一尺长的棍棒，每日截取它的一半，永远截不完。
实际上，这个捶是可以截完的，物理学上，所有的物理量都存在一个最小的、不可分割的单元——量子。也就是说物理量的分辨率是量子。
那量子是怎么存在的呢？接下来让猫告诉你。
薛定谔的猫
假设薛定谔有一只可怜的猫，它被关在一个封闭的盒子里，这个盒子连接着一个机关，如果机关触发，就会打破装有毒药的瓶子，毒死猫；如果没有触发，猫就会活下来。
其实这个机关由一种“微观粒子”控制，粒子的状态是不确定的。这种不确定就像是一个一直在旋转的骰子，有各种状态的可能性，而当我们观察它时，它就会停下来，固定在一种状态。
因此，在打开盒子的瞬间，粒子的状态会固定下来，机关确定为触发或者不触发两种可能中的一种。
所以在打开盒子之前，猫所处的就是“既死又活”的状态，称为叠加态。打开后，猫由“既死又活”两种状态变为死或者活一种状态，称为叠加态坍缩。
薛定谔与猫
关于粒子叠加态，可以从单个电子（物质的基本构成单位——“原子”的一部分）的双缝干涉实验说起，这就是网传的恐怖的干涉实验。
这个实验听起来很复杂，其实实验步骤很好理解，跟壮猿来学习一下吧：
我们让电子通过两个距离很窄的缝隙，打在屏幕上，留下痕迹。因为电子具有波的性质，因此会在屏幕上留下很多条纹，称为干涉条纹。
这就是干涉条纹
现在我们想知道的是，这么多电子，每个电子究竟是从哪个缝隙通过的？
于是每次只发射一个电子，用专门的摄像机观察。在这时候，我们发现，干涉条纹消失了。也就是说我们不观察的时候，电子出现了干涉；观察的时候，它不干涉了。
干涉条纹消失了
这是为什么呢？难道有超自然现象吗（当然不是）。
物理学家对此的解释是这样的：
当我们不观察时，这些电子非常调皮，会同时在很多个位置，所以可以看做是在各种位置的叠加状态。因此打到屏幕上会有出现在很多位置的不同可能性：可能性大的位置打到的次数多，出现了亮条纹；可能性小的位置打到的次数少，出现了暗条纹。
一旦我们想知道这个调皮的电子到底在哪里，开始观察的时候，就有一个光子撞击了这个电子，人的观察使得这个电子退出了叠加状态，只有一个确定的位置，因此只会出现于缝隙相对的两条条纹。
两只猫的故事
刚刚我们说的是一只猫的生死问题，这个问题涉及到了叠加态；那么我们想知道的量子纠缠，就是两只甚至一群猫的生死问题！
各位“小科学家们”，我们来设置另外一个实验。
还是薛定谔的那个箱子，我们造两个。我们假设在一定条件下，箱子里面的量子机关之间会发生相互作用。无论这两个箱子间隔多远，当一个箱子里的机关触发时，另一个箱子里的机关就一定不会触发。
我们在两个箱子里各装一只猫，在打开之前，这两只猫是“既死又活”的叠加态。但是只要我们打开一只箱子，发现这个箱子里的猫活着，我们就知道另一个箱子里的猫一定死了，反之亦然。
确定了一个箱子中猫的死活，就知道了另一个箱子里猫的死活，这就是量子纠缠。
就没有“猫权”了吗
量子纠缠是在满足特定的条件时，几个粒子在彼此相互作用后，各个粒子所拥有的特性就会综合成为整体性质。观测任意一个粒子会造成所有粒子的变化，因此无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。
就像前面例子中的两只“既死又活”的猫，它们处于量子纠缠状态，只要一只活下来，另一只就一定会死。我们就没办法研究单个猫的死活了，只能两只一起研究。
爱因斯坦“救猫行动”
但是爱因斯坦提出了异议，来“救猫”啦！
爱因斯坦认为上帝不会掷骰子，猫不会“既死又活”、也不会“你死我活”。他提出，猫的死或者活是确定了的，之所以我们看到随机，是因为我们的观测技术不过关，我们一定是没有考虑到决定猫生死的因素——隐性变量。
阿尔伯特·爱因斯坦
在爱因斯坦看来，两个或多个粒子，状态是随机的，而且它们无论距离多远，都会同步变化，这就很“不科学”，因此爱因斯坦把这种联系称作“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance)，并极力反对。
瞎说，爱因斯坦就是为了救猫
为了反驳量子力学，爱因斯坦还找到了他的两个小伙伴：物理学家鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）写了篇论文，提出了一个反驳理论。
广义相对论证明，任何空间上相互影响的速度都不应该超过光速。而量子纠缠这种超距作用的速度比光速还快，很明显违背了广义相对论，因此量子力学是不完备的。这就是大名鼎鼎的EPR佯谬。
EPR佯谬，是三位科学家姓氏的首字母
那到底猫是“既死又活”的叠加态，还是爱因斯坦说的某种未知原因（隐性变量）早就决定了猫的死活呢？
双方吵得不可开交。29年后，一个叫贝尔（John Stewart Bell）的物理学家提出了一个不等式，可以用来验证问题。
贝尔不等式图示
在实验探测时，如果量子力学正确，存在量子纠缠，则结果是上图的虚线，如果爱因斯坦正确，存在隐性变量，则结果是上图的实线。
这个用来验证量子力学和爱因斯坦究竟谁对的不等式后来被称为“贝尔不等式”。
诺贝尔奖获奖选手登场
由于贝尔不等式验证条件要求颇高，一直到20世纪70年代此项工作才得以开展。从1972年起到20世纪末的近30年间，陆续公布了不少验证贝尔不等式的典型实验。今年诺奖的获奖选手就以此为研究主题！
关注科学的大家应该都知道，北京时间2022年10月4日17时45分，2022年诺贝尔物理学奖授予法国学者阿兰·阿斯佩（Alain Aspect） ，美国学者约翰·克劳泽（John Clauser）和奥地利学者安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不等式，开创量子信息科学”。
虽然我们可能无法完全理解三位科学家的实验，但壮猿还是跟大家讲解一下，希望能让大家能get到最前沿的科技知识。
三位科学家的实验如下：
约翰·克劳泽使用了钙原子。他用一种特殊的光照射钙原子之后，可以发射纠缠光子。他在两侧用滤光片测量光子的偏振。经过一系列测量，他证明它们违反了贝尔不等式。
这个实验有一个BUG，即滤光片是由位置和角度是确定的，滤光片的角度可能会影响实验结果。所以我们不能确定是激发的粒子本身都有量子纠缠的特性，还是滤波片筛选出了符合标准的粒子现象。
阿兰·阿斯佩开发了上面这个新的验证实验，通过一种新的激发原子的方法，使它们以更高的速率发射纠缠光子。他还可以在不同的设置之间切换，这样系统就不会包含任何可能影响结果的预先信息。
这个实验同样具有上面的BUG。因为实验角度由人为调整，并不是真正的随机，结果还是不够客观。
安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多测试。他通过将激光照射在特殊晶体上来制备纠缠光子对，并使用随机数切换测量设置。
在其中一项实验中，他使用来自遥远星系的信号作为随机数，以此控制滤光片，确保滤光片的位置真正随机，不会影响到最后的实验结果。
到了这一步，科学家终于判定这个结果没有BUG了！由此可见科学研究的严谨性，即使只有万分之一的错误可能，也不会放过。
可惜的是，这时候贝尔已经去世了，虽然他没能拿到诺奖，但科学却从未止步。我们站在前人的肩膀上触摸星辰，而后人又会站在我们的肩膀上探索科学的边界。
那我是没救了呗
这三位科学家基于贝尔不等式设计实验，通过不断调整优化实验方法，提高精度，弥补漏洞，最终证明了爱因斯坦是错的。
让鱼告诉你答案
那为什么会有量子纠缠现象呢？科学家猜测，纠缠的两个量子只是高维度时空的同一个物品在低维时空的不同投影。
（a)高维时空中的信息储存为低维边界上的量子比特；
(b)边界上的量子纠缠连接了全息图的不同部分
量子纠缠的真相可以用这个例子来说明：假如有一条巨大的鱼，有宇宙那么大，我们在宇宙两端用摄像机拍摄了两张照片（我们观察到的纠缠的量子）。
而我们认为这两张照片是两只金鱼，这两只金鱼一只动的时候，另一只也会动。于是我们疑惑，在宇宙两端的两只金鱼之间为什么存在相互作用，这种相互作用为什么能够超越光速。
量子计算机有什么用呢？
实际上，现在的量子计算机就像最初的手摇计算器一样，都只是用来解决特定问题的工具。手摇计算器只能用来做数字计算，别的都干不了，现在的量子计算机也是如此。
比如我国的“九章”量子计算机，就只能解决波色取样问题，在这个问题上，九章200秒就能算出答案，而即使是目前世界上最先进的电子计算机，计算这个问题也要6亿年。但是电子计算机除了算这个问题，还能聊天上网打游戏，这些功能量子计算机一个也干不了。
参考文献：
[1]墨子沙龙、Sheldon团队.《奇妙量子世界》[M].北京：人民邮电出版社，2019.
[2]凤凰网视频.中科院院士朱清时解读2022诺贝尔物理学奖量子纠缠[EB/OL].2022-10-11/2022-11-01.
[3]诺贝尔奖.纠缠如何成为强大的工具[EB/OL].2022-10-04/2022-11-01.
[4]张天蓉.诡异的测量：你看，或者不看，有什么差别？[EB/OL].2019-10-12/2022-11-01.
[5]Clara Aldegunde. Physics World，2022，(9)：33.
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