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文|碎舟寒
編輯|碎舟寒
序言
自人類探求自然奧秘以來，量子化學學仍然是最為令人著迷和晦澀的領域之一，在這神秘的領域里，我們遭受到了許多令人吃驚的現象，其中最引人矚目的莫過分“量子糾纏”。
在量子世界中，兩個或更多的粒子，無論它們之間的距離有多么遙遠，雖然都能頓時互相影響，如同它們之間存在著一種趕超時空的神秘聯系，這么，量子糾纏是否還能趕超光速傳遞信息？
量子糾纏的基本原理
量子熱學是研究微觀世界的數學學理論，它描述了微觀粒子（如電子、光子和原子）的行為和性質，在量子熱學中，粒子的狀態用波函數表示，波函數包含了有關粒子位置、動量和其他性質的信息。
量子態是描述一個量子系統的狀態，可以用波函數表示，對于兩個或更多個量子系統，它們的狀態可以通過張量積建立下來，但是，這些簡單的張量積并不總能描述量子系統之間的復雜關系。
量子糾纏是一種特殊的量子態，其中兩個或多個粒子之間被緊密聯系在一起，以至于無論它們之間的距離有多遠，它們的狀態之間都存在著互相關聯。
當我們對一個處于糾纏態的粒子進行檢測，其量子狀態將會頓時與另一個糾纏粒子的狀態相對應地坍縮，這些量子糾纏的現象被稱為“量子非局域性”，由于信息雖然以趕超光速的方法進行傳遞。
Bell不方程與量子非局域性
貝爾不方程是拿來檢驗量子系統是否滿足局域隱藏變量理論的物理不方程，局域隱藏變量理論覺得，量子系統的狀態在檢測前就早已確定。
糾纏現象只是由于我們對系統了解不完全所形成的錯覺，但是，貝爾不方程的實驗結果表明了量子系統的非局域性，即量子糾纏現象難以通過局域隱藏變量理論來解釋。
因為Bell不方程的遵守，我們得出推論：量子糾纏是量子熱學的基本特點之一，它展示了量子世界與我們日常經驗截然不同的奇妙聯系，這些神奇的糾纏現象在量子估算、量子通訊和量子密碼等領域有著潛在的革命性應用。
實驗觀測：量子糾纏的驗證
量子糾纏的實驗驗證是量子化學學中的一個重要里程碑，早在1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森等人提出了“EPR悖論”。
即對一對糾纏粒子進行檢測后，它們的狀態會頓時互相關聯，不論它們之寬度離多遠，但是，當時因為技術的限制，對糾纏現象的實驗驗證并未得到進一步的推動。
直至20世紀80年代之后，隨著量子技術的進步，科學家們開始有能力制備和控制糾纏態，因而進行實驗觀測，實驗室中的量子糾纏驗證成為了一個熱門研究領域，并形成了一系列令人驚奇的結果。
實驗室中的糾纏態制備與檢測
在實驗室中，制備糾纏態是一個關鍵的步驟，常用的方式是借助光子對的自發熱阻下轉換（SPDC）過程，通過非線性晶體可以形成糾纏光子對，再者，超導量子比特、離子阱和量子點等也被用于實現糾纏態的制備。
為了驗證糾纏現象量子通訊協議，科學家們一般采用貝爾態檢測，這是由約翰·貝爾提出的一組檢測，用于確定兩個粒子是否處于糾纏態。
通過對大量的糾纏態進行檢測和數據統計，實驗結果表明，這種糾纏態違背了貝爾不方程，進而否認了量子糾纏現象的存在。
量子糾纏現象的實驗驗證除了證明了量子熱學的非局域性，也為量子信息科學帶來了新的前景，在量子通訊領域，糾纏態可以用于量子秘鑰分發，實現安全的量子通訊。
在量子估算領域，糾纏態可以用于量子比特之間的量子并行運算，加速量子估算的過程，再者，量子糾纏還可以用于制備高精度的量子傳感和量子圖象傳輸等領域。
其實我們早已在實驗室中驗證了量子糾纏的存在，但始終有一些未解之謎等待我們去探求，比如，糾纏態是否還能保持長時間，以及是否存在更多未知的量子糾纏類型等問題。
糾纏之謎：跨越時空的聯系
量子糾纏的最令人著迷之處在于它雖然才能跨越時空進行“量子隱型傳態”，當兩個粒子處于糾纏態時，無論它們之間的距離有多遠，它們的狀態之間其實都存在著瞬時的聯系。
在實驗中，當我們對其中一個糾纏粒子進行檢測并改變其狀態時，另一個糾纏粒子的狀態也會頓時急劇改變，如同信息以趕超光速的形式傳播。
這些現象違反了相對論的光速限制，引起了許多科學家對量子糾纏的解釋和理解進行深入剖析，即使我們難以借助這些跨越時空的聯系進行傳統意義上的信息傳遞，但量子隱型傳態的研究為量子通訊和量子網路等領域帶來了新的可能性。
雖然量子糾纏具有跨越時空的神秘聯系，但實際應用中卻存在著一些限制，糾纏態的保持是一個重要問題，隨著兩個糾纏粒子之間的距離降低，深受環境干擾和量子退相干等影響，糾纏態的保持時間會降低，因而限制了遠距離量子通訊的可行性。
量子糾纏也遭到相對論效應的影響，當兩個糾纏粒子坐落不同的參考系中時，因為相對論效應造成的時間延后，它們之間的糾纏聯系可能會出現扭曲或失去，這促使量子糾纏的研究愈發復雜，須要在理論和實驗上進一步深入探求。
盡管量子糾纏的跨越時空的聯系依然存在許多疑點，但其背后的奇妙聯系也讓人不禁著迷，在糾纏粒子之間其實存在一種無法解釋的信息傳遞機制，這挑戰了我們對于現實世界本質的理解。
量子糾纏與信息傳遞
量子糾纏在量子通訊中飾演著重要角色，一種應用是量子秘鑰分發，亦稱為量子秘鑰分發合同（Key,QKD）。
通過糾纏態，通訊雙方可以創建一組共享的量子秘鑰，因為糾纏態的特殊性質，任何對這種量子秘鑰的監聽或檢測就會造成秘鑰的破壞，因而保證通訊的絕對安全性。
另一個應用是量子遠程通訊，亦稱為量子隱型傳態，在這些通訊合同中，兩個距離較遠的節點可以借助糾纏態傳輸量子信息，而無需直接傳遞量子粒子本身，這為量子網路的搭建和遠程量子操作提供了可能性，有望在未來的量子互聯網中發揮重要作用。
量子糾纏的存在對加密和安全通訊形成了深遠的影響，傳統的加密方式基于物理困局，如因式分解，但在量子計算機的恐嚇下，這種方式可能顯得便于攻陷，量子秘鑰分發（QKD）的出現為信息安全提供了全新的保障，它可以保護通訊的隱私和完整性。
借助量子糾纏，我們還可以實現“量子隱秘共享”，在這些合同下，多個參與者之間可以共享一個秘密，但只有在所有參與者都到齊時，這個秘密才會被剖析，假如有人企圖單獨獲取其中一部份信息，糾纏態的破壞將立刻被察覺，確保了信息的安全性。
構建量子糾纏網路是一個令人激動且具有挑戰性的目標，這將是一個復雜的任務，須要高度穩定的量子設備和先進的量子通訊技術，同時，量子糾纏的保持時間和距離限制一直是須要克服的問題。
一旦成功建立了量子糾纏網路，它將具有革命性的影響，量子網路將帶來超高速、超安全的通訊和估算能力，促使量子互聯網的發展，再者，量子糾纏網路還有望在量子傳感器、量子檢測和量子模擬等領域帶來重大突破。
其實在建設量子糾纏網路方面面臨許多挑戰，但科學家們正積極探求和研究，相信在未來不久的時間里，我們接見證量子糾纏網路成為信息傳遞領域的巨大推進力，推動人類步入量午時代的全新境界。
量子糾纏與宇宙結構
量子糾纏與黑洞信息悖論是一個引人注目且飽受爭議的問題，在量子熱學中，信息不能被完全搗毀，而黑洞卻被覺得是信息的“信息吞噬者”。
按照黑洞的風波視界理論，任何掉進黑洞的信息都將永遠沒法逃逸，這引起了與量子熱學中信息守恒定理的沖突，也就是黑洞信息悖論。
一些研究者提出，量子糾纏可能是解決黑洞信息悖論的關鍵，按照這個觀點，黑洞內部的信息與黑洞外部的糾纏態之間存在著微妙的關聯。
一種可能的解決方案是，黑洞內部的信息通過糾纏態傳遞到黑洞外部，保留了量子信息的特點，但是，這個問題目前一直是量子引力研究的重要前沿之一，急切須要更深入的探求和理論突破。
在宇宙尺度上，量子糾纏和量子漲落也與宇宙結構密切相關，宇宙背景幅射中的漲落是宇宙結構產生的起源，這種漲落源自于宇宙初期量子漲落的放大，這種漲落在宇宙膨脹的過程中逐步產生了宇宙的大尺度結構，如星體團、星系和星際空間。
量子糾纏在宇宙尺度上也可能發揮著重要作用，一些理論模型提出，宇宙中的大尺度結構可能由糾纏態所聯接，在這些觀點下，宇宙的演進過程與糾纏態的產生和傳播密切相關，糾纏將不同的宇宙區域聯系在一起，產生宇宙網路的結構。
在宇宙演變的過程中，量子糾纏可能在多個方面發揮重要作用，宇宙早期的量子漲落和糾纏態的產生可能影響了宇宙結構的演變，而在宇宙黑洞等高能天體的產生和演變中，糾纏態的研究也可能闡明著新的數學學規律。
在宇宙尺度上，量子糾纏也可能是宇宙信息傳遞和通訊的一種機制，通過糾纏，宇宙中的不同區域可以實現信息的傳遞和聯系，可能在宇宙間產生愈加復雜和有機的結構。
目前我們對于宇宙尺度上量子糾纏的理解一直較為有限，這是一個飽含挑戰和潛力的研究領域，通過深入探求量子糾纏與宇宙結構的關系，我們也許將愈發全面地理解宇宙的起源、演化和本質。
參考文獻：
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李忠,&鄧洪波.(2021).量子糾纏及其在量子通訊中的應用.電子科技學院學報,50(3),355-363.
陳德智,&段勇軍.(2019).糾纏態與非局域性.數學學進展,39(4),495-511.
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