量子糾纏=開(kāi)盲盒？

在量子力學(xué)中量子糾纏可能是最令人著迷的一種。然而，它也是最常被誤解的。很多人認(rèn)為，量子糾纏是一種“超越時(shí)空”的瞬時(shí)相互作用，這種看法認(rèn)為量子糾纏粒子之間似乎存在著某種“超光速”的聯(lián)絡(luò)。然而，量子糾纏并不是一種相互作用。

還有一種比喻是用“開(kāi)盲盒”來(lái)解釋量子糾纏，認(rèn)為兩個(gè)糾纏粒子就像一對(duì)放在盲盒中的手套，其中一個(gè)是左手套，另一個(gè)是右手套。拆開(kāi)其中一個(gè)盒子，立刻就知道另一個(gè)盒子里的內(nèi)容。雖然這種描述似乎解釋了結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，但它忽視了量子糾纏中的核心區(qū)別：結(jié)果并非預(yù)先確定的。在量子糾纏中，兩個(gè)粒子的狀態(tài)是完全隨機(jī)且不確定的，只有在測(cè)量的瞬間才“選擇”一個(gè)狀態(tài)。也就是說(shuō)，兩個(gè)粒子間的關(guān)聯(lián)并不是基于預(yù)先已知的狀態(tài)，而是在測(cè)量后才展現(xiàn)出關(guān)聯(lián)。

量子糾纏與開(kāi)盲盒的區(qū)別

開(kāi)盲盒的比喻看似合理，但它忽略了量子糾纏最關(guān)鍵的兩個(gè)特點(diǎn)：

測(cè)量結(jié)果的隨機(jī)性：糾纏粒子的單個(gè)測(cè)量結(jié)果是完全隨機(jī)的。例如，我們把一對(duì)糾纏粒子分別交給兩個(gè)實(shí)驗(yàn)者，一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果可能是“0”或“1”，但無(wú)法預(yù)測(cè)。

測(cè)量結(jié)果的關(guān)聯(lián)性：即使每次測(cè)量的結(jié)果是隨機(jī)的，兩個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果之間始終存在固定的關(guān)聯(lián)（相同或相反）。例如，假設(shè)兩個(gè)粒子具有相反的結(jié)果，那么無(wú)論第一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果為“0”或“1”，另一個(gè)粒子的結(jié)果都必然是相反的。

在經(jīng)典的開(kāi)盲盒中，測(cè)量結(jié)果并不是隨機(jī)的，因?yàn)殚_(kāi)盒前我們就知道其中一定有一個(gè)左手套和一個(gè)右手套。這種關(guān)聯(lián)是經(jīng)典的，不涉及隨機(jī)性，而量子糾纏中的關(guān)聯(lián)恰恰與這種預(yù)先確定的經(jīng)典關(guān)聯(lián)不同。

量子糾纏的具體例子：糾纏態(tài)的測(cè)量

要更深入理解量子糾纏，我們可以看一個(gè)具體的量子態(tài)例子。假設(shè)我們將兩個(gè)粒子制備成如下的糾纏態(tài)：

在這個(gè)狀態(tài)下，一號(hào)粒子和二號(hào)粒子的測(cè)量結(jié)果滿足以下條件：

一號(hào)粒子有一半概率測(cè)得“0”，一半概率測(cè)得“1”。

二號(hào)粒子也有一半概率測(cè)得“0”，一半概率測(cè)得“1”。

但是，當(dāng)一號(hào)粒子的測(cè)量結(jié)果確定為“0”時(shí)，二號(hào)粒子一定是“1”；相反，如果一號(hào)粒子測(cè)得“1”，二號(hào)粒子一定是“0”。這種現(xiàn)象并不是因?yàn)閮蓚€(gè)粒子之間存在某種超光速的相互作用，而是因?yàn)槲覀儗?duì)糾纏態(tài)的制備方法導(dǎo)致了這種關(guān)聯(lián)性。

這時(shí)可能會(huì)問(wèn)：相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)粒子是如何實(shí)現(xiàn)這種關(guān)聯(lián)的？是不是違反了相對(duì)論的超光速限制？其實(shí)，量子糾纏并沒(méi)有傳遞任何信息，也沒(méi)有涉及“超光速”的瞬時(shí)相互作用。在量子糾纏中，一個(gè)粒子的測(cè)量不會(huì)以任何方式影響另一個(gè)粒子的物理狀態(tài)，它們的關(guān)聯(lián)是由共同的初始糾纏態(tài)決定的。

另一個(gè)例子：相同的測(cè)量結(jié)果

我們還可以制備另一種糾纏態(tài)，例如：

在這種狀態(tài)下，無(wú)論是一號(hào)粒子還是二號(hào)粒子，都有一半概率測(cè)得“0”，一半概率測(cè)得“1”。但與之前的例子不同的是，這里的測(cè)量結(jié)果總是相同的：如果一號(hào)粒子測(cè)得“0”，那么二號(hào)粒子必然也測(cè)得“0”；如果一號(hào)粒子測(cè)得“1”，二號(hào)粒子也必然測(cè)得“1”。這種狀態(tài)中，兩個(gè)粒子始終顯示出相同的測(cè)量結(jié)果。

量子糾纏的關(guān)鍵在于：每個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果是隨機(jī)的，但這些隨機(jī)結(jié)果之間存在確定的關(guān)聯(lián)性。這種關(guān)聯(lián)既可能是相同，也可能是相反。正因?yàn)榻?jīng)典的開(kāi)盲盒缺乏這種隨機(jī)性，它并不能真正描述量子糾纏。

量子糾纏超越了經(jīng)典物理的解釋范疇，不僅揭示了量子世界的深?yuàn)W本質(zhì)，也為現(xiàn)代量子技術(shù)（如量子通信、量子計(jì)算）奠定了理論基礎(chǔ)。了解量子糾纏，有助于我們重新審視自然的基本規(guī)律，并認(rèn)識(shí)到經(jīng)典物理并非解釋宇宙唯一的語(yǔ)言。

作者：《你也可以理解量子信息》風(fēng)云際會(huì)

審核：羅會(huì)仟 中科院物理所研究員

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