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联系在一起。
量子纠缠是一种两个或多个物体的量子态变得相关的现象，这意味着即使物体相隔很远，一个物体的状态也会影响另一个物体的状态。这是因为，根据量子理论，粒子可以同时以多种状态存在（一个称为叠加的概念），并且可以不可分割地联系在一起或“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（自然界最令人费解的现象之一）方面的开创性工作而获得 2022 年诺贝尔物理学奖。
量子纠缠，用最简单的术语来说，意味着纠缠对中的一个粒子的各个方面取决于另一个粒子的各个方面，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，例如它是否在一个方向或另一个方向上“旋转”。
量子纠缠的奇怪之处在于，当你测量纠缠对中的一个粒子时，你会立即知道另一个粒子的一些东西，即使它们相距数百万光年。两个粒子之间的这种奇怪的联系是瞬间的，似乎打破了宇宙的基本定律。这就是为什么阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）将这种现象称为“远距离的幽灵行动”。
在花了二十年的大部分时间进行植根于量子力学的实验之后，我开始接受它的奇怪之处。由于越来越精确和可靠的仪器以及今年诺贝尔奖获得者Alain Aspect，John Clauser和Anton Zeilinger的工作，物理学家现在以极高的确定性将量子现象整合到他们对世界的知识中。
然而，直到1970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。而且有充分的理由——谁敢与伟大的爱因斯坦相矛盾，而爱因斯坦本人对此表示怀疑？直到新的实验技术和大胆的研究人员的发展，终于揭开了这个谜团。
根据量子力学，粒子在被观察到之前同时处于两种或两种以上的状态——薛定谔著名的猫同时死去和活着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
要真正理解量子纠缠的诡异性，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。当进行测量时，就好像粒子选择了叠加态中的一种状态。
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，在你测量粒子的自旋之前，它同时存在于向上自旋和向下自旋的叠加态中。
每个状态都有一个概率，并且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
量子纠缠的诡异性源于量子叠加的现实，并且在1920年代和1930年代发展该理论的量子力学创始人很清楚。
为了创建纠缠粒子，你基本上将一个系统一分为二，其中各部分的总和是已知的。例如，您可以将自旋为零的粒子拆分为两个必然具有相反自旋的粒子，以便它们的总和为零。
1935年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）发表了一篇论文，描述了一个思想实验，旨在说明量子纠缠的看似荒谬，挑战了宇宙的基本定律。
这个思想实验的简化版本，归因于大卫·博姆，考虑了一种叫做π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相互远离。因此，如果测量电子自旋向上，那么正电子的测量自旋只能向下，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总是向上，而正电子的测量自旋总是向下，那就好了。但是由于量子力学，每个粒子的自旋在被测量之前都是向上和向下的。只有当测量发生时，自旋的量子态才会“坍缩”为向上或向下 - 瞬间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比光速更快的方式相互通信。但根据物理定律，没有什么能比光速更快。当然，一个粒子的测量状态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1930年代对量子纠缠提出了许多替代解释。他们推测存在一些未知的性质 - 被称为隐藏变量 - 在测量之前决定了粒子的状态。但当时，物理学家没有技术，也没有明确的测量定义来测试量子理论是否需要修改以包含隐藏变量。
反驳理论
直到1960年代才有任何答案的线索。约翰·贝尔（John Bell）是一位才华横溢的爱尔兰物理学家，他没有活着获得诺贝尔奖，他设计了一个计划来测试隐变量的概念是否有意义。
贝尔提出了一个现在被称为贝尔不等式的方程，对于隐变量理论来说，这个方程总是正确的——而且只有正确的，而对于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满足，则可以排除局部隐变量理论作为量子纠缠的解释。
2022年诺贝尔奖获得者的实验，特别是阿兰·阿克方面的实验，是对贝尔不等式的首次检验。这些实验使用纠缠光子，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，隐藏变量是一种神秘的属性，可以预先确定纠缠粒子的状态。总的来说，这些和许多后续实验证明了量子力学的正确性。物体可以以量子力学之前的物理学无法解释的方式在远距离上相关。
重要的是，与狭义相对论也没有冲突，狭义相对论禁止超光速通信。远距离测量结果相互关联的事实并不意味着信息在粒子之间传输。相距甚远的两方对纠缠粒子进行测量，不能利用这种现象以超过光速的速度传递信息。
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精度预测测量的概率，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，有一点是肯定的。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。
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