量子纠缠为何被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”？

量子科技是当前的新闻热词，无论是量子计算，还是量子通信，每一个成果报道里，总少不了它的身影——量子纠缠，仿佛它是量子科技里的一块砖，哪里需要往哪里搬。事实是怎样的呢？还真是这样！

那什么是量子纠缠呢？

量子纠缠是量子力学中的一种独特现象，指的是多个粒子之间形成特定关系后，它们独自的特性会融合成一个整体，导致从物理上无法单独描述其中任何一个粒子的各自状态，只能描述整个复合系统的状态。

这是什么意思？

要了解量子纠缠，我们先要了解量子叠加态。量子叠加态指的是一个量子系统，比如一个粒子，可以同时处于多种可能的状态。就像一枚硬币，它不是正面，也不是反面，而是同时处于正面和反面的叠加态。直到你去观察（测量）它，它才随机“坍缩”成一个确定的态（正面或反面）。

当然，这里的硬币不是我们宏观世界里的硬币，这只是一个比喻，只有在微观世界里才会表现出来。（它不符合常识，却是世界的真相。）

微观世界里，一个粒子，可以同时处于两个（或多个）状态，称为量子叠加态。一旦被观察，叠加态就会被破坏，从而坍缩成其中一个确定的态。

而量子纠缠，说的是在两个（或多个）粒子之间，产生了一种奇特的关系，它们形成了一个不可分割的整体。这个整体也处于多种可能的状态（可以说，是一种升级版的叠加态），但由于受到纠缠的限制，它只能是特定的组合态。

就好像两枚硬币，A 和 B，它们纠缠在一起，形成了特定的关系，比如：必不同面。所以，它们是“A 正 B 反”和“A 反 B 正”的叠加态（当然，你也可以建立“同面”的纠缠，那么它就是“A 正 B 正”和“A 反 B 反”的叠加态）。

你无法单独说“A 是正面”或“A 是反面”，只能说 AB 处于“不同面”的纠缠态，如下面表格。直到你去观察其中一个，它会随机“坍缩”成一个确定的面（正面或反面），而另一个，也会瞬间坍缩成对应的面（反面或正面）。

所以，看出来了吗？观察之前，这两枚硬币是状态1和状态 2 的叠加态。而观察之后，它会随机坍缩成状态 1 或状态 2。这使得，只要对其中任何一枚硬币实施观测，得知它的状态后，就能立刻知道另一枚硬币的状态。

也就是说，同时对一个粒子的测量，必然导致其他粒子的状态同时发生改变。它们是一体的，牵一发而动全身。这就是“纠缠”这个词的由来。

而这种纠缠关系一旦形成并维持住，就不受距离限制，即便远在地球的两端，也依然起作用。并且坍缩同时发生，不用时间传递。它是如此地不符合日常经验，因此，被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

但是，神奇归神奇，量子纠缠虽然能产生跨越空间的关联，却不能用来超光速发消息。

比如，像有些网友设想的，把 AB 两枚硬币放在两地，然后观察其中一枚，让它坍缩，如果 A 正，就可以得到 B 反；如果 A 反，就可以得到 B 正！这不就等于互通信息了吗？

但这种坍缩，是完全“随机”的！A 的正反，完全不受你控制，所以，你根本无法传递任何有效信息。

那量子纠缠的实际作用是什么呢？它可以用于量子计算，用相互纠缠的量子比特，极大提升并行计算的能力。也可以用于量子通信，用粒子之间的纠缠关系，将未知量子态的信息，从一地传输到另一地。还有量子密钥分发、量子精密测量等。

最后，需要强调的是：量子纠缠，是一种宝贵的资源。它不是随手抓两个粒子，就能纠缠，而是需要极其精密的“制备”过程，需要我们的科学家，通过特殊的物理实验（比如非线性光学）来人工打造；而且“粒子数越多越难办”。因此，这也是目前量子科技最大的挑战。

现在，对于量子纠缠，你了解清楚了吗？

策划制作

作者丨高佩雯 凝聚态物理博士

审核丨罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

（科普中国）