浅议量子纠缠与量子通信

量子纠缠与量子通信

今年诺贝尔物理学奖颁发给了三位关于“量子纠缠”实验取得较大成就的物理学家。2022年10月4日，在瑞典皇家科学院宣布，2022年度诺贝尔物理学奖授予阿兰.阿斯佩、约翰.弗朗西斯.克劳泽、安东.塞林格，表彰他们以纠缠光子实验证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学做出的贡献。

一、什么是量子

什么是量子，什么是纠缠，量子为什么会纠缠，纠缠的基础动力、条件是啥，这都是量子力学的内容，还得从牛顿宏观力学说起。

牛顿力学已经很完备，可以解释一切宏观物体的运动规律，比如天体运动，在望远镜没有看到冥王星时，牛顿力学就可以推论出冥王星的存在。空气动力学实现飞机上天，各种机械运动、传动，一切能量转化等等，牛顿力学都能解释，即使光的波动性，光的色散、折射等牛顿都有精确的研究。

但奇怪的是，以爱因斯坦为首的科学家发现了光不仅是波，光还是粒子，这下对原子核内部的质子、电子、中子、中微子、夸克等的研究进入新时代。科学家认为：光子是能量元，是微粒的跃迁（比如电子跃迁）产生光，这些微粒的运动不遵从宏观运动规律，量子力学就应运而生。其中量子力学中有一个推定就是“光速不变”，光子相对与任何物体都是光速，比如电灯一开，光子就在一个三维空间以光速传播。量子力学有一些概念很烧脑、很抽象、数学推演很复杂，这里尽量避开。所以，研究这些微粒间作用规律的学问就是量子力学的雏形。

量子的定义，物理学这样定义：物理上存在最小的不可分割的基本单位叫量子。显然研究分子、原子、原子核、质子、中子，他们都是可以分割的，当他们在分割时会发生结构变化、发生能级跃迁就有光子产生，最基本的能量元光子就是量子，高速运动的电子就是量子。

二、什么是量子纠缠

量子纠缠一词还得从“薛定谔的猫”说起。比如氢原子核外只有一个电子在绕原子核高速运动，在某一时刻电子只可能在某一位置，其他位置是空的，科学家观察电子所在位置时发现一个诡异的现象是，这一个电子同时在任何一个位置出现，无论怎样观察都是这一结果。爱因斯坦不相信这个结果，薛定谔也不相信这个结果，于是薛定谔提出这个思想，这样设计一个实验：在黑匣子里放上一只猫，再放里边一点有毒的放射性物质，然后选择一个时间点打开黑匣子，我们猜想的结果是：一半的概率是这只猫已经被毒死，一般的概率猫还活着，没有其他任何可能，这是生活中的逻辑。显然，薛定谔是以通俗的比喻否定猫是处于又生又死叠加状态，薛定谔原本是讽刺的举例，并调侃说难道量子世界有纠缠？这就是量子纠缠的一词的来历。

氢原子核外的只有一个电子，是以电子云存在，电子的位置是“测不准”，尽管难以理解，但电子所在空间太小，影响不了我们的生活。

三、量子纠缠的速度

在1935年，爱因斯坦带着两位科学家一起发表了一篇著名的文章。因为是三位物理学家的实验（E:爱因斯坦、P：波多尔斯基和R：罗森），所以取自这三位物理学家的名字的首字母命名就叫EPR实验，爱因斯坦通过叠加态和守恒律得出了一个结论，发现量子世界会发生超光速的事情。

那究竟啥是守恒律？世界的守恒率是世界运动的基石，比如质量守恒，能量守恒，动量守恒，角动量守恒等。举个例子，电子就是基本的量子，我们研究时把一对电子看作一个整体研究，就满足以上的守恒，一个顺时针自旋，另一个就一定逆时针自旋，角动量守恒，如果把其中的一个拉开距离很远，这两个电子依然是叠加态，就是纠缠的电子。当一个电子坍缩了，另一个也会同时坍缩，因为他们要守恒，这个传递是不受光速约束的。

诸多疑问来了，我们以前的认知能量传递是需要介质的，在介质中传递最快的是光速，量子纠缠中的两个电子那边的电子咋知道这边的电子坍缩了？又咋知道那边电子的自旋的方向？这已经颠覆了爱因斯坦的量子力学理论体系，包括已经被验证成立的麦克斯韦光速不变方程式，爱因斯坦开始怀疑自己创立的量子力学应该是不完善的。

这种现象耗费了很多物理学家研究量子纠缠的速度究竟是多大，今天的技术测得，这个数值已经达到光速的万倍以上。

要知道爱因斯坦的相对论里有个基本假设：光速是物质和信息传递的最快速度，所以爱因斯坦经常吐槽量子力学有问题。

四、实现量子通信

今年获得诺贝尔物理学奖的三位物理学家，证明了量子纠缠情况下贝尔不等式不成立。贝尔其人是爱因斯坦的信徒，想证明爱因斯坦是对的，于是他提出了贝尔不等式（这里不再详述贝尔不等式），结果这个不等式的导出证明爱因斯坦错了。

再后来，全世界许多实验室都实现了量子纠缠的信息传递，中国科技大学潘建伟团队的成果走在了世界的前列，不仅可以实现地面传递信息，还实现了地面向太空的信息传递，再度刷新世界纪录。

量子纠缠，只是量子力学的一部分，尽管我们还没有纠缠清楚，但纠缠的应用已经在路上。

量子力学的理论在不断发展，量子力学的应用空间极大，需要全世界的科学家探究思考，科学无止境，技术无止境。

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