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文|小彭的燦爛筆記
編輯|小彭的燦爛筆記
序言
量子糾纏是量子熱學(xué)領(lǐng)域最令人匪夷所思、最引人入勝的現(xiàn)象之一，愛因斯坦常把這些現(xiàn)象描述為"遠(yuǎn)距離的幽靈作用"，它違反了精典直覺，挑戰(zhàn)了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)基本性質(zhì)的理解，在深入研究量子糾纏之前，可以先來了解一下量子熱學(xué)的基本知識(shí)。
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量子熱學(xué)的核心是研究宇宙中最小粒子--原子、電子和更小實(shí)體--行為的數(shù)學(xué)學(xué)分支，精典數(shù)學(xué)學(xué)一般具有直觀性和確定性，而量子熱學(xué)則不同，它是一個(gè)具有內(nèi)在不確定性和機(jī)率結(jié)果的領(lǐng)域。
在量子世界中，電子等粒子既表現(xiàn)出波的行為，也表現(xiàn)出粒子的行為，它們可以同時(shí)存在于多個(gè)地方，在被檢測(cè)之前處于疊加狀態(tài)。
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沃納-海森堡的不確定性原理強(qiáng)調(diào)，你沒法同時(shí)絕對(duì)確定地曉得粒子的準(zhǔn)確位置和動(dòng)量，對(duì)其中一個(gè)曉得得越多，對(duì)另一個(gè)就曉得得越少。
量子系統(tǒng)中的基態(tài)是量子化的，這意味著它們是離散的、特定的值，而不是連續(xù)的范圍，量子熱學(xué)中的粒子由波函數(shù)或量子態(tài)描述，它們代表了粒子屬性的機(jī)率分布。
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哪些是量子糾纏？
構(gòu)想有兩個(gè)粒子，我們稱之為粒子A和粒子B，它們以一種趕超精典數(shù)學(xué)學(xué)的形式緊密聯(lián)系在一起量子通訊的原理，當(dāng)兩個(gè)粒子糾纏在一起時(shí)，它們的屬性會(huì)以一種難以用精典解釋的形式互相關(guān)聯(lián)。
糾纏粒子的形成，兩個(gè)粒子，比如電子，被緊靠在一起，它們以這樣一種形式互相作用，使它們的量子態(tài)交織在一起，一旦糾纏在一起，無論相距多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的命運(yùn)都與另一個(gè)粒子有著內(nèi)在聯(lián)系。
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在檢測(cè)之前，每位粒子都存在于各類可能狀態(tài)的疊加中，比如，一對(duì)糾纏粒子可能處于載流子上升和載流子增長(zhǎng)兩種狀態(tài)的疊加中，但是，一旦你檢測(cè)了其中一個(gè)粒子的載流子并發(fā)覺它是載流子向下的，你都會(huì)立刻曉得另一個(gè)粒子處于載流子向上的狀態(tài)，雖然它在光年之外。
這兒才是真正奇特的地方，糾纏粒子之間的關(guān)聯(lián)是瞬時(shí)的，顯然違背了宇宙速率極限--光速，無論糾纏粒子之間相距多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的屬性進(jìn)行檢測(cè)，才能頓時(shí)確定另一個(gè)粒子的狀態(tài)，雖然它們之間相隔光年。
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愛因斯坦的異議，距離的幽靈作用
量子糾纏最初因愛因斯坦的反對(duì)而聲名鵲起，他與合作者鮑里斯-波多爾斯基（）和內(nèi)森-羅森（）一起提出了知名的"EPR悖論"（愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論），以指出她們所覺得的量子熱學(xué)的根本缺陷。
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愛因斯坦的反對(duì)意見始于他對(duì)局部現(xiàn)實(shí)主義的信仰，即化學(xué)過程應(yīng)具有局部緣由，任何信息的傳播速率都不應(yīng)超過光速，在他看來，糾纏粒子之間的瞬時(shí)相關(guān)性（他稱之為"遠(yuǎn)距離幽靈作用"）違背了這種原則。
此后的實(shí)驗(yàn)，尤其是貝爾試驗(yàn)，證明量子熱學(xué)關(guān)于糾纏的預(yù)言在現(xiàn)實(shí)世界中得到了否認(rèn)，糾纏其實(shí)違反了局部現(xiàn)實(shí)主義，給數(shù)學(xué)學(xué)家留下了一個(gè)挑戰(zhàn)精典直覺的困局。
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貝爾定律
化學(xué)學(xué)家約翰-貝爾在20世紀(jì)60年代提出了一個(gè)定律，為量子糾纏和局域?qū)嵲谡摰膶?shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，貝爾定律提供了一個(gè)物理框架，用以分辨量子力學(xué)的預(yù)言和局域現(xiàn)實(shí)主義的假定。
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貝爾定律引入了一組可通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的不方程，這種不方程倘若被違背，將為反對(duì)局部真實(shí)論提供證據(jù)，從20世紀(jì)80年代阿蘭-阿斯佩特（）的研究開始，仍然延續(xù)至今的一系列實(shí)驗(yàn)都不斷顯示貝爾不方程被違背。
這意味著量子熱學(xué)關(guān)于糾纏粒子的預(yù)言與局部實(shí)在論的假定不相容，貝爾定律的實(shí)驗(yàn)否認(rèn)是數(shù)學(xué)學(xué)史上的分水嶺，它鞏固了量子糾纏的奇特現(xiàn)實(shí)，并表明粒子確實(shí)可以以違反我們精典直覺的形式互相聯(lián)接。
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量子糾纏的意義
量子糾纏不僅僅是一種奇特的現(xiàn)象，它對(duì)我們理解宇宙和技術(shù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，非位置性，糾纏挑戰(zhàn)了"局域性"的概念，表明粒子之間可以瞬時(shí)共享信息，而不管它們之間的距離有多遠(yuǎn)。
其實(shí)這并不意味著比光速更快的通訊（由于糾纏粒子的狀態(tài)未能控制），但它提出了關(guān)于時(shí)空基本性質(zhì)的問題，量子糾纏在量子估算領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，量子比特或量子比特可以以疊加狀態(tài)存在，被用于量子估算，量子比特的糾纏可以創(chuàng)建量子電路，以精典計(jì)算機(jī)難以想像的速率進(jìn)行估算。
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糾纏還可應(yīng)用于量子密碼學(xué)，進(jìn)而創(chuàng)建安全的通訊合同，不確定性原理確保任何監(jiān)聽試圖就會(huì)被偵測(cè)到，這促使量子通訊從根本上是安全的。
盡管它可能不涉及"星際迷航"意義上的物質(zhì)遁地，但量子遁地是一種由糾纏實(shí)現(xiàn)的真實(shí)現(xiàn)象，它容許將量子信息從一個(gè)地點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地點(diǎn)，這對(duì)量子網(wǎng)路的發(fā)展至關(guān)重要。
量子糾纏促使我們努力解決有關(guān)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)、決定論以及觀察在打造化學(xué)世界中的作用等深層哲學(xué)問題，它挑戰(zhàn)了我們對(duì)因果關(guān)系的直覺觀念。
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大眾文化中的量子糾纏
量子糾纏打動(dòng)了畫家、電影制做人和故事述說者的想像力，經(jīng)常成為懸疑小說敘事的靈感來源。
在"星際迷航"宇宙中，量子糾纏的概念被拿來解釋傳送器的運(yùn)行，傳送器是一種可以在亞原子層面拆解和重新組裝物質(zhì)的裝置。
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在克里斯托弗-諾蘭（）的影片《星際穿越》（）中，感情被描述為一種趕超維度的力量，就能穿越時(shí)空進(jìn)行交流，即使為了話劇療效而夸大了科學(xué)，但它借助了糾纏所蘊(yùn)涵的互相關(guān)聯(lián)性。
熱門劇集《怪奇物語(yǔ)》探索了一個(gè)名為"天除草覆"的平行空間，量子糾纏在聯(lián)接兩個(gè)世界的奇特風(fēng)波中飾演了重要角色。
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在改編自卡爾-薩根（）小說的影片《接觸》中，量子糾纏被用作與外星生物交流的一種手段，展現(xiàn)了量子糾纏現(xiàn)象的神秘性和異世界性。
量子糾纏的奇妙世界并不局限于懸疑小說量子通訊的原理，它早已在尖端技術(shù)和研究領(lǐng)域嶄露頭角，以下是一些令人激動(dòng)的領(lǐng)域，在那些領(lǐng)域中，量子糾纏將徹底改變我們的世界，量子估算，量子計(jì)算機(jī)借助糾纏量子比特的力量，有望解決精典計(jì)算機(jī)目前難以解決的復(fù)雜問題，這種問題包括量子系統(tǒng)模擬、優(yōu)化任務(wù)和密碼學(xué)挑戰(zhàn)。
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量子糾纏實(shí)現(xiàn)超安全通訊，量子秘鑰分配（QKD）系統(tǒng)借助糾纏粒子創(chuàng)建牢不可破的加密秘鑰，目前正被開發(fā)用于建行、政府和其他敏感領(lǐng)域，在量子糾纏的基礎(chǔ)上，研究人員正在努力創(chuàng)建量子網(wǎng)路，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的安全即時(shí)通訊，這將為全球量子互聯(lián)網(wǎng)鋪平公路。
基于糾纏的傳感可提供前所未有的檢測(cè)精度，這種傳感可應(yīng)用于醫(yī)療保健（如初期癌癥檢查）、環(huán)境檢測(cè)和導(dǎo)航（如高精度全球定位系統(tǒng)）等多個(gè)領(lǐng)域，量子傳送似乎不能傳送人，但這些技術(shù)可以徹底改變量子估算和密碼學(xué)等領(lǐng)域的信息傳輸，它可以實(shí)現(xiàn)量子信息的遠(yuǎn)距離傳輸，而無需直接的數(shù)學(xué)傳輸。
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未解之謎
雖然在理解和借助量子糾纏方面取得了進(jìn)展，但許多謎題仍然存在，糾纏的"怎么"--粒子怎樣發(fā)生糾纏以及信息怎樣瞬時(shí)傳輸--依舊是一個(gè)活躍的研究和辯論話題。
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量子熱學(xué)與廣義相對(duì)論（萬(wàn)有引力理論）之間的互相作用尚未被完全理解，引力怎么融入量子圖景，糾纏在其中飾演哪些角色？愛因斯坦的術(shù)語(yǔ)"超距作用"指出了糾纏的反直覺性質(zhì)，怎樣在不違背相對(duì)論原理的前提下解釋糾纏的顯著非局域性一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。
有些人甚至猜測(cè)意識(shí)在量子熱學(xué)中的作用，覺得觀察可能在粒子行為中發(fā)揮奇特作用，這是一個(gè)極具爭(zhēng)議性和推測(cè)性的研究領(lǐng)域。
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推論
量子糾纏是一種挑戰(zhàn)我們對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)極限的現(xiàn)象，它挑戰(zhàn)精典直覺，輕視局部現(xiàn)實(shí)主義，為技術(shù)領(lǐng)域的新前沿打開了房門，它的影響趕超了科學(xué)領(lǐng)域，迸發(fā)了藝術(shù)、文學(xué)和大眾文化的靈感。
隨著我們繼續(xù)探求糾纏的奧秘，我們可能會(huì)發(fā)覺對(duì)現(xiàn)實(shí)的基本性質(zhì)和我們?cè)谄渲械奈恢玫男驴捶ǎM管量子糾纏可能一直"離奇"而無法飄忽，但它也證明了宇宙的無窮奧妙和人類對(duì)揭露其最深層秘密的探求，無論是科學(xué)研究、科幻小說，還是哲學(xué)思索，量子糾纏都將繼續(xù)吸引我們的想像力，挑戰(zhàn)我們對(duì)宇宙的理解。
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參考文獻(xiàn)
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