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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(lái)，量子化學(xué)學(xué)仍然是最為令人著迷和晦澀的領(lǐng)域之一，在這神秘的領(lǐng)域里，我們?cè)馐艿搅嗽S多令人吃驚的現(xiàn)象，其中最引人矚目的莫過(guò)分“量子糾纏”。
在量子世界中，兩個(gè)或更多的粒子，無(wú)論它們之間的距離有多么遙遠(yuǎn)，雖然都能頓時(shí)互相影響，如同它們之間存在著一種趕超時(shí)空的神秘聯(lián)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(xué)是研究微觀世界的數(shù)學(xué)學(xué)理論，它描述了微觀粒子（如電子、光子和原子）的行為和性質(zhì)，在量子熱學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)表示，波函數(shù)包含了有關(guān)粒子位置、動(dòng)量和其他性質(zhì)的信息。
量子態(tài)是描述一個(gè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)，可以用波函數(shù)表示，對(duì)于兩個(gè)或更多個(gè)量子系統(tǒng)，它們的狀態(tài)可以通過(guò)張量積建立下來(lái)，但是，這些簡(jiǎn)單的張量積并不總能描述量子系統(tǒng)之間的復(fù)雜關(guān)系。
量子糾纏是一種特殊的量子態(tài)，其中兩個(gè)或多個(gè)粒子之間被緊密聯(lián)系在一起，以至于無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)，它們的狀態(tài)之間都存在著互相關(guān)聯(lián)。
當(dāng)我們對(duì)一個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子進(jìn)行檢測(cè)，其量子狀態(tài)將會(huì)頓時(shí)與另一個(gè)糾纏粒子的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)地坍縮，這些量子糾纏的現(xiàn)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(jìn)行傳遞。
Bell不方程與量子非局域性
貝爾不方程是拿來(lái)檢驗(yàn)量子系統(tǒng)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(tǒng)的狀態(tài)在檢測(cè)前就早已確定。
糾纏現(xiàn)象只是由于我們對(duì)系統(tǒng)了解不完全所形成的錯(cuò)覺，但是，貝爾不方程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了量子系統(tǒng)的非局域性，即量子糾纏現(xiàn)象難以通過(guò)局域隱藏變量理論來(lái)解釋。
因?yàn)锽ell不方程的遵守，我們得出推論：量子糾纏是量子熱學(xué)的基本特點(diǎn)之一，它展示了量子世界與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)截然不同的奇妙聯(lián)系，這些神奇的糾纏現(xiàn)象在量子估算、量子通訊和量子密碼等領(lǐng)域有著潛在的革命性應(yīng)用。
實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：量子糾纏的驗(yàn)證
量子糾纏的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是量子化學(xué)學(xué)中的一個(gè)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(duì)一對(duì)糾纏粒子進(jìn)行檢測(cè)后，它們的狀態(tài)會(huì)頓時(shí)互相關(guān)聯(lián)，不論它們之寬度離多遠(yuǎn)，但是，當(dāng)時(shí)因?yàn)榧夹g(shù)的限制，對(duì)糾纏現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并未得到進(jìn)一步的推動(dòng)。
直至20世紀(jì)80年代之后，隨著量子技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們開始有能力制備和控制糾纏態(tài)，因而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)室中的量子糾纏驗(yàn)證成為了一個(gè)熱門研究領(lǐng)域，并形成了一系列令人驚奇的結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)室中的糾纏態(tài)制備與檢測(cè)
在實(shí)驗(yàn)室中，制備糾纏態(tài)是一個(gè)關(guān)鍵的步驟，常用的方式是借助光子對(duì)的自發(fā)熱阻下轉(zhuǎn)換（SPDC）過(guò)程，通過(guò)非線性晶體可以形成糾纏光子對(duì)，再者，超導(dǎo)量子比特、離子阱和量子點(diǎn)等也被用于實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)的制備。
為了驗(yàn)證糾纏現(xiàn)象量子通訊協(xié)議，科學(xué)家們一般采用貝爾態(tài)檢測(cè)，這是由約翰·貝爾提出的一組檢測(cè)，用于確定兩個(gè)粒子是否處于糾纏態(tài)。
通過(guò)對(duì)大量的糾纏態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種糾纏態(tài)違背了貝爾不方程，進(jìn)而否認(rèn)了量子糾纏現(xiàn)象的存在。
量子糾纏現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證除了證明了量子熱學(xué)的非局域性，也為量子信息科學(xué)帶來(lái)了新的前景，在量子通訊領(lǐng)域，糾纏態(tài)可以用于量子秘鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)安全的量子通訊。
在量子估算領(lǐng)域，糾纏態(tài)可以用于量子比特之間的量子并行運(yùn)算，加速量子估算的過(guò)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?shù)阮I(lǐng)域。
其實(shí)我們?cè)缫言趯?shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了量子糾纏的存在，但始終有一些未解之謎等待我們?nèi)ヌ角螅热纾m纏態(tài)是否還能保持長(zhǎng)時(shí)間，以及是否存在更多未知的量子糾纏類型等問(wèn)題。
糾纏之謎：跨越時(shí)空的聯(lián)系
量子糾纏的最令人著迷之處在于它雖然才能跨越時(shí)空進(jìn)行“量子隱型傳態(tài)”，當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)，它們的狀態(tài)之間其實(shí)都存在著瞬時(shí)的聯(lián)系。
在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)我們對(duì)其中一個(gè)糾纏粒子進(jìn)行檢測(cè)并改變其狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)糾纏粒子的狀態(tài)也會(huì)頓時(shí)急劇改變，如同信息以趕超光速的形式傳播。
這些現(xiàn)象違反了相對(duì)論的光速限制，引起了許多科學(xué)家對(duì)量子糾纏的解釋和理解進(jìn)行深入剖析，即使我們難以借助這些跨越時(shí)空的聯(lián)系進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的信息傳遞，但量子隱型傳態(tài)的研究為量子通訊和量子網(wǎng)路等領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能性。
雖然量子糾纏具有跨越時(shí)空的神秘聯(lián)系，但實(shí)際應(yīng)用中卻存在著一些限制，糾纏態(tài)的保持是一個(gè)重要問(wèn)題，隨著兩個(gè)糾纏粒子之間的距離降低，深受環(huán)境干擾和量子退相干等影響，糾纏態(tài)的保持時(shí)間會(huì)降低，因而限制了遠(yuǎn)距離量子通訊的可行性。
量子糾纏也遭到相對(duì)論效應(yīng)的影響，當(dāng)兩個(gè)糾纏粒子坐落不同的參考系中時(shí)，因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)造成的時(shí)間延后，它們之間的糾纏聯(lián)系可能會(huì)出現(xiàn)扭曲或失去，這促使量子糾纏的研究愈發(fā)復(fù)雜，須要在理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步深入探求。
盡管量子糾纏的跨越時(shí)空的聯(lián)系依然存在許多疑點(diǎn)，但其背后的奇妙聯(lián)系也讓人不禁著迷，在糾纏粒子之間其實(shí)存在一種無(wú)法解釋的信息傳遞機(jī)制，這挑戰(zhàn)了我們對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界本質(zhì)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(yīng)用是量子秘鑰分發(fā)，亦稱為量子秘鑰分發(fā)合同（Key,QKD）。
通過(guò)糾纏態(tài)，通訊雙方可以創(chuàng)建一組共享的量子秘鑰，因?yàn)榧m纏態(tài)的特殊性質(zhì)，任何對(duì)這種量子秘鑰的監(jiān)聽或檢測(cè)就會(huì)造成秘鑰的破壞，因而保證通訊的絕對(duì)安全性。
另一個(gè)應(yīng)用是量子遠(yuǎn)程通訊，亦稱為量子隱型傳態(tài)，在這些通訊合同中，兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可以借助糾纏態(tài)傳輸量子信息，而無(wú)需直接傳遞量子粒子本身，這為量子網(wǎng)路的搭建和遠(yuǎn)程量子操作提供了可能性，有望在未來(lái)的量子互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。
量子糾纏的存在對(duì)加密和安全通訊形成了深遠(yuǎn)的影響，傳統(tǒng)的加密方式基于物理困局，如因式分解，但在量子計(jì)算機(jī)的恐嚇下，這種方式可能顯得便于攻陷，量子秘鑰分發(fā)（QKD）的出現(xiàn)為信息安全提供了全新的保障，它可以保護(hù)通訊的隱私和完整性。
借助量子糾纏，我們還可以實(shí)現(xiàn)“量子隱秘共享”，在這些合同下，多個(gè)參與者之間可以共享一個(gè)秘密，但只有在所有參與者都到齊時(shí)，這個(gè)秘密才會(huì)被剖析，假如有人企圖單獨(dú)獲取其中一部份信息，糾纏態(tài)的破壞將立刻被察覺，確保了信息的安全性。
構(gòu)建量子糾纏網(wǎng)路是一個(gè)令人激動(dòng)且具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，這將是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，須要高度穩(wěn)定的量子設(shè)備和先進(jìn)的量子通訊技術(shù)，同時(shí)，量子糾纏的保持時(shí)間和距離限制一直是須要克服的問(wèn)題。
一旦成功建立了量子糾纏網(wǎng)路，它將具有革命性的影響，量子網(wǎng)路將帶來(lái)超高速、超安全的通訊和估算能力，促使量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，再者，量子糾纏網(wǎng)路還有望在量子傳感器、量子檢測(cè)和量子模擬等領(lǐng)域帶來(lái)重大突破。
其實(shí)在建設(shè)量子糾纏網(wǎng)路方面面臨許多挑戰(zhàn)，但科學(xué)家們正積極探求和研究，相信在未來(lái)不久的時(shí)間里，我們接見證量子糾纏網(wǎng)路成為信息傳遞領(lǐng)域的巨大推進(jìn)力，推動(dòng)人類步入量午時(shí)代的全新境界。
量子糾纏與宇宙結(jié)構(gòu)
量子糾纏與黑洞信息悖論是一個(gè)引人注目且飽受爭(zhēng)議的問(wèn)題，在量子熱學(xué)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(fēng)波視界理論，任何掉進(jìn)黑洞的信息都將永遠(yuǎn)沒法逃逸，這引起了與量子熱學(xué)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(guān)鍵，按照這個(gè)觀點(diǎn)，黑洞內(nèi)部的信息與黑洞外部的糾纏態(tài)之間存在著微妙的關(guān)聯(lián)。
一種可能的解決方案是，黑洞內(nèi)部的信息通過(guò)糾纏態(tài)傳遞到黑洞外部，保留了量子信息的特點(diǎn)，但是，這個(gè)問(wèn)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(jié)構(gòu)密切相關(guān)，宇宙背景幅射中的漲落是宇宙結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(guò)程中逐步產(chǎn)生了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，如星體團(tuán)、星系和星際空間。
量子糾纏在宇宙尺度上也可能發(fā)揮著重要作用，一些理論模型提出，宇宙中的大尺度結(jié)構(gòu)可能由糾纏態(tài)所聯(lián)接，在這些觀點(diǎn)下，宇宙的演進(jìn)過(guò)程與糾纏態(tài)的產(chǎn)生和傳播密切相關(guān)，糾纏將不同的宇宙區(qū)域聯(lián)系在一起，產(chǎn)生宇宙網(wǎng)路的結(jié)構(gòu)。
在宇宙演變的過(guò)程中，量子糾纏可能在多個(gè)方面發(fā)揮重要作用，宇宙早期的量子漲落和糾纏態(tài)的產(chǎn)生可能影響了宇宙結(jié)構(gòu)的演變，而在宇宙黑洞等高能天體的產(chǎn)生和演變中，糾纏態(tài)的研究也可能闡明著新的數(shù)學(xué)學(xué)規(guī)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(jī)制，通過(guò)糾纏，宇宙中的不同區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和聯(lián)系，可能在宇宙間產(chǎn)生愈加復(fù)雜和有機(jī)的結(jié)構(gòu)。
目前我們對(duì)于宇宙尺度上量子糾纏的理解一直較為有限，這是一個(gè)飽含挑戰(zhàn)和潛力的研究領(lǐng)域，通過(guò)深入探求量子糾纏與宇宙結(jié)構(gòu)的關(guān)系，我們也許將愈發(fā)全面地理解宇宙的起源、演化和本質(zhì)。
參考文獻(xiàn)：
周亮,&徐光華.(2018).量子糾纏與量子隱型傳態(tài).數(shù)學(xué)學(xué)進(jìn)展,38(4),437-452.
李忠,&鄧洪波.(2021).量子糾纏及其在量子通訊中的應(yīng)用.電子科技學(xué)院學(xué)報(bào),50(3),355-363.
陳德智,&段勇軍.(2019).糾纏態(tài)與非局域性.數(shù)學(xué)學(xué)進(jìn)展,39(4),495-511.
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