当您看到“纠缠”两个字脑海里会浮现出什么呢?是一团缠绕在一起的绳子?还是剪不断理还乱的前任呢?说实话,这么“魔性”的词汇就是那个既是物理学家又是诗人的清唱浪子薛定谔给微观粒子的一种行为起的名字。那么量子纠缠究竟是怎么回事呢?

估计大多数小伙伴都知道弹玻璃球的游戏吧,谁方向和力量控制得好,谁就能赢。当两个玻璃球沿着质心连线方向撞在一起之后,两个球就会分开。这时候,可以按照牛顿力学的规律,只要测量其中一个球的速度(严格说是动量)和位置,就能知道另外一个球的速度和位置。

并且这两个球之间的位置和速度是从碰撞之后那一刻开始起,密切相关的,我们可以把两个玻璃球之间的速度和位置之间的这种联系称为纠缠。不过很显然,如果我们让其中一个球停下来,并不会影响另外一个球。也就是说,这种“纠缠”关系不是那么紧密。

现在让两个电子之间发生类似两个玻璃球之间的相互作用(碰撞),同样道理,只要测量其中一个电子的速度或者是位置,就能知道另外一个电子的速度或者是位置。这种电子的速度和位置同样满足两个玻璃球之间的关系。

然而与玻璃球不同的是,每次测量其中一个电子的速度或者位置都是随机的,而另外一个电子却好像能够“知道”另一个电子的速度或者位置,它们之间的速度和位置,仍然能满足前面所描述的关系,并且这种相关性不受距离和时间的限制。

微观粒子之间相互作用之后的相关性现象就叫做“量子纠缠”。

如果我说量子纠缠可以用于保密通信、量子计算机,以及未来的互联网,你肯定还是一头雾水,不过这不要紧,你只要记住量子纠缠有两个特征就好:紧密纠缠和超距作用。让我举一个例子来看看量子纠缠能解决什么问题吧。

现在有一个三个人玩的游戏,测试问题只有两个,它们是X问题:“X是多少?”和Y问题“Y是多少?”而答案只能在+1和-1之间选一个。游戏规则如下:

1、在每次测试中,每个人都需要回答一个问题,X问题或Y问题;2、3个人被问到的问题要么都是X问题,要么是只有一个是X问题,而另外两个人是Y问题,此时3个人中谁被问到X问题是完全随机的;3、3个人之间不可以互相告诉对方自己的问题或者答案。

赢得这个游戏的条件也非常简单,就是3个人对3个X问题的答案的乘积总是-1,而对一个X问题和两个Y问题的答案的乘积总是+1。

你和你的朋友们可以在游戏之前做任何准备工作,可以在问题提出后分别进行猜测,也可以遇险制定好每个人回答问题的规则,甚至可以求助世界上最聪明的数学家来帮忙制定规则,等等。不过结果只能有一个,除非利用量子纠缠,否则没有人能够赢得游戏。(这部分的数学证明,我这里就不写了,离题太远。)

其实我们都能看出来,这个游戏的难度在于3个人之间不能互通消息。不过如果我们使用量子纠缠就可以在游戏者互相独立的情况下赢得游戏。让我们来看看量子纠缠是怎么做到的。

现实中,量子纠缠其实是很容易实现的,我们请物理学家为我们制备一种3个电子的自旋纠缠态,让每个游戏者保持其中的一个电子,对于这个自旋纠缠态,3个电子沿Z方向的自旋要么全部都向上,要么全部都向下。

现在测试开始了。如果一个人被问到X问题,那么他就测量自己的电子的Z方向自旋,并且将测量结果用+1或者是-1来表示。根据量子力学规律,按照这种方式,3个人对3个X问题的答案的乘积总是-1,而对一个X问题和两个Y问题的答案的乘积总是+1.

由于这个方法满足游戏中设定的要求,因此总是可以赢得游戏。

这三个纠缠电子之所以能够完成这个游戏就是因为,其中任何一个电子的装置在没有测量的时候,都是未知的,同时3个电子虽然在空间上各自远离,但实际上,它们之间宛如一体,测量其中任何一个电子,就会让另外两个电子的状态发生改变。

随着科学家们对量子纠缠的理解越来越深入,量子纠缠的应用范围也越来越广,比如量子浓缩编码、量子纠错码、量子隐形传态、量子计算、量子通信等等。尽管如此,但其实科学家们对量子纠缠的物理学原理仍然一无所知,就如几千年前,中国人造出了指南针却并不懂得指南针的原理一样。物理学,还有很多等待我们去发现的秘密,也许你就是那个给出正确答案的人,看好你呦。