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量子計算、量子加密以及與量子有關的各種技術頻繁出現在新聞報道中。這些報道幾乎無一例外地提到了糾纏，這一量子物理特性使得眾多神奇的設備成為可能。  糾纏被愛因斯坦冠以“鬼魅般的超距作用”之名，這個術語逐漸家喻戶曉。構建量子計算機之外，理解和利用糾纏在其他領域也大有裨益。 例如，它可以被用來更精確地探測引力波，幫助我們更好地理解奇特材料的屬性。在其他學科中，糾纏也能更準確地揭示真相：我一直在研究粒子是如何相互撞擊形成糾纏的，并試圖理解它如何影響原子鐘的精確性。  但是，糾纏究竟是什么？如何理解這種“詭異”的現象？我將嘗試通過結合物理學中的兩個基本概念來解釋它：守恒定律和量子疊加。 守恒定律 守恒定律是物理學中最基礎、最重要的原則之一。能量守恒定律表明，一個封閉（孤立）系統的總能量保持不變，能量可以從一種形式（如電能、機械能或熱能）轉換為另一種形式。這個定律是所有機器運作的基礎，無論是蒸汽機還是電車。守恒定律就像一本會計賬簿：你可以稍稍改變周圍的一些能量，但總數必須保持不變。 動量守恒（動量是質量與速度的乘積）可以解釋為什么兩個體重不同的滑冰者相撞后會分開，體重較輕的那個會滑得更遠更快。守恒定律還解釋了那句著名的格言：每個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力。（再次以滑冰者為例）角動量守恒則解釋了滑冰者通過拉近手臂來旋轉自己會更快地靠近中心。  這些守恒定律已被廣泛的實驗所證實，它們在宇宙的廣闊尺度上都發揮著作用，從小至電子的旋轉到大至星系里的黑洞。 量子領域的補充 想象你在森林中享受徒步旅行。在小徑上遇到一個岔路口，你猶豫不決是走左邊還是右邊。左邊的小徑陰暗但通往美麗的景色；右邊的小徑陽光明媚但道路崎嶇。你最終選擇了右邊，但心里還是對左邊小徑念念不忘。在量子世界里，你可以同時選擇兩條路。  對于孤立的量子系統而言，其中的規則更加有趣。以陀螺為例，一個原子可以順時針旋轉，也可以逆時針旋轉。盡管與陀螺不同，它仍然可以處于[順時針旋轉]和[逆時針旋轉]的疊加狀態。 量子系統可以相加相減。從數學角度看，量子態的組合規則與向量的加減規則相似。對于這樣的量子態組合，現實世界呈現出疊加的狀態。你可能聽說過背后隱藏著奇怪量子效應的雙縫實驗或波粒二象性。  你決定迫使一個處于[順時針旋轉]和[逆時針旋轉]疊加態的電子給出一個確定的答案。然后，處于自由旋轉狀態的電子要么停在[順時針旋轉]狀態，要么停在[逆時針旋轉]狀態。兩種結果出現的概率很容易計算（手頭有一本好的物理書的話）。如果你認為宇宙應該完全按照預定的方式運行，那么這個過程內在的隨機性可能會讓你不安。然而，這就是我們所經歷的（實驗測試）……  守恒定律和量子力學 現在，讓我們將這兩個概念結合起來，并將能量守恒定律應用到一對量子粒子上。 假設有一對量子粒子（原子），它們共有100單位的能量。你和你的朋友各持一個粒子，你會發現自己持有的粒子有40單位能量。通過能量守恒定律，你可以推斷出你的朋友持有的粒子有60單位的能量。一旦你了解了自己原子的能量，你也就立即知道了你朋友原子的能量。哪怕你朋友不告訴你任何信息，你也能知道。哪怕你測量原子能量的同時你的朋友正位于銀河系的另一端，你也能知道。它們之間沒有什么可怕的（一旦你意識到這只是一種關聯而非因果關系）。 但這對原子的量子狀態可能更有趣。這對原子的能量可以以多種方式分配（當然，這符合能量守恒定律）。這對原子的組合狀態是疊加態，例如：[你的原子：60單位；你朋友的原子：40單位]+[你的原子：70單位；你朋友的原子：30單位]。 這就是所謂的糾纏態。無論是你的原子還是你朋友的原子，其能量在疊加態下都不是明確的。然而，根據能量守恒定律，這兩個原子的性質是相關的：它們的能量總和始終等于100單位。 例如，如果你測量自己的原子發現其具有70單位的能量，那么你就能確定你朋友的原子具有30單位的能量。哪怕你朋友不告訴你任何信息，你也能知道。多虧了能量守恒定律，哪怕你朋友在銀河系的另一端你也能知道你朋友的原子能量。 |
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