量子纠缠，用最简单的术语来说，意味着纠缠对中一个粒子的方面取决于另一个粒子的方面，无论它们相距多远或它们之间有什么。例如，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，例如它是在一个方向还是另一个方向“旋转”。
作者： ANDREAS MULLER，南佛罗里达大学
当两个粒子纠缠在一起时，一个粒子的状态与另一个粒子的状态相关联。
量子纠缠是一种现象，其中两个或多个物体的量子态变得相关，这意味着即使物体相距很远，一个物体的状态也会影响另一个物体的状态。发生这种情况是因为，根据量子理论，粒子可以同时存在于多个状态（一个称为叠加的概念）并且可以密不可分地联系或“纠缠”，即使它们在物理上是分开的。
三位研究人员因其在理解量子纠缠方面的开创性工作而获得2022 年诺贝尔物理学奖，量子纠缠是自然界最令人费解的现象之一。
量子纠缠，用最简单的术语来说，意味着纠缠对中一个粒子的方面取决于另一个粒子的方面，无论它们相距多远或它们之间有什么。例如，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，例如它是在一个方向还是另一个方向“旋转”。
量子纠缠的奇怪之处在于，当你测量一对纠缠粒子中的一个粒子时，你会立即知道另一个粒子，即使它们相距数百万光年。这两个粒子之间的这种奇怪联系是瞬间发生的，似乎违反了宇宙的基本法则。这就是为什么阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。
在过去 20 年的大部分时间里，我都在进行根植于量子力学的实验，我开始接受它的奇怪之处。得益于更加精确和可靠的仪器以及今年诺贝尔奖得主阿兰·阿斯佩特、约翰·克劳塞和安东·蔡林格的工作，物理学家现在可以非常确定地将量子现象整合到他们对世界的认识中。
然而，即使直到 20 世纪 70 年代，研究人员仍然对量子纠缠是否是一种真实现象存在分歧。并且有充分的理由——谁敢反驳伟大的爱因斯坦，他自己也对此表示怀疑？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多种状态——薛定谔著名的猫同时既死又活的思想实验生动地捕捉到了这种效应。
同时存在于多个状态
要真正了解量子纠缠的诡异之处，首先要了解量子叠加。量子叠加是粒子同时以多种状态存在的想法。执行测量时，就好像粒子选择了叠加中的一种状态。
例如，许多粒子具有称为自旋的属性，对于分析仪的给定方向，该属性被测量为“向上”或“向下”。但是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状态。
每个状态都有一个概率，可以从许多测量中预测平均结果。单个测量值上升或下降的可能性取决于这些概率，但其本身是不可预测的。
虽然很奇怪，但数学和大量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
量子纠缠的幽灵般的存在源于量子叠加的现实，对于在 1920 年代和 1930 年代发展该理论的量子力学奠基人来说是显而易见的。
要创建纠缠粒子，您基本上会将系统分成两部分，其中各部分的总和是已知的。例如，您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，因此它们的总和为零。
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，旨在说明量子纠缠看似荒谬，它挑战了宇宙的基本定律。
这个思想实验的简化版本归功于 David Bohm，考虑了称为 pi 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，它们具有相反的自旋并且彼此远离。因此，如果测得电子自旋向上，则测得的正电子自旋只能向下，反之亦然。即使粒子相距数十亿英里也是如此。
如果电子自旋的测量值始终向上并且正电子的自旋测量值始终向下，这将很好。但是由于量子力学，每个粒子的自旋在被测量之前都是部分向上和部分向下的。只有当测量发生时，自旋的量子态才会“坍缩”成向上或向下——即刻将另一个粒子坍缩成相反的自旋。这似乎表明粒子通过某种移动速度超过光速的方式相互通信。但根据物理定律，没有什么能比光速更快。一个粒子的测量状态肯定不能立即确定宇宙远端另一个粒子的状态吗？
包括爱因斯坦在内的物理学家在 20 世纪 30 年代提出了多种对量子纠缠的替代解释。他们推测存在一些未知属性——被称为隐藏变量——决定了粒子在测量前的状态。但当时，物理学家既没有技术也没有明确测量的定义来测试是否需要修改量子理论以包含隐藏变量。
反驳一个理论
直到 1960 年代，才有了答案的线索。约翰·贝尔，一位才华横溢的爱尔兰物理学家，未能在世获得诺贝尔奖，他设计了一个方案来检验隐变量的概念是否有意义。
贝尔提出了一个现在称为贝尔不等式的方程式，该方程式对于隐变量理论总是正确的——而且仅是正确的，而对量子力学并不总是正确的。因此，如果在现实世界的实验中发现贝尔方程不成立，则可以排除局部隐变量理论作为对量子纠缠的解释。
2022 年诺贝尔奖获得者的实验，尤其是阿兰·阿斯佩克特 ( Alain Aspect ) 的实验，是对贝尔不等式的首次检验。实验使用纠缠光子，而不是像许多思想实验那样使用电子和正电子对。结果最终排除了隐藏变量的存在，隐藏变量是一种可以预先确定纠缠粒子状态的神秘属性。总的来说，这些和许多 后续 实验证明了量子力学是正确的。物体可以以量子力学之前的物理学无法解释的方式在很远的距离上相互关联。
重要的是，这与禁止超光速通信的狭义相对论也没有冲突。远距离测量是相关的这一事实并不意味着信息在粒子之间传输。对纠缠粒子进行测量的两方相距甚远，无法利用这种现象以比光速更快的速度传递信息。
今天，物理学家继续研究量子纠缠并研究潜在的 实际应用。尽管量子力学可以以令人难以置信的准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。不过有一件事是肯定的。关于量子力学的神秘世界，还有很多话要说。
由南佛罗里达大学物理学副教授 Andreas Muller 撰写。
本文首发于The Conversation