“量子糾纏”到底是啥啊？用一個比喻講明白

相信各位都戴過成雙成對的手套吧？

寒冷的冬天，出門前哆哆嗦嗦翻出一只手套——只有左手，右手不見了。你心里幾乎立刻就有了判斷：掉在抽屜邊、衣柜的角落里，不知道跑到哪里去了的那只，大概率就是右手。

于是你翻箱倒柜找了半天，最后果然在衣柜的角落里發(fā)現(xiàn)了它。拿起來一看，沒錯，是右手。

“量子糾纏”就像一對“糾纏手套”。圖源：作者 AI 生成

這一刻，你和那只“失蹤手套”之間，好像完成了一次跨越空間的默契。不需要打電話確認，不需要發(fā)微信問“你那邊那只是什么情況”，只要看到手里這一只，你就知道另一只大概率是什么。

這像極了那個熟悉又陌生的詞——量子糾纏。所謂量子糾纏，是指兩個或多個量子系統(tǒng)的整體狀態(tài)無法拆分成各個單獨系統(tǒng)狀態(tài)的簡單組合，只能作為一個整體來描述，因此它們的測量結(jié)果會呈現(xiàn)出超越經(jīng)典關(guān)聯(lián)的強關(guān)聯(lián)。

當(dāng)然，真正的量子糾纏并不是普通手套這么簡單。手套的左手和右手，早就已經(jīng)確定好了；但量子世界里的粒子，卻要奇怪得多。它們之間的關(guān)聯(lián)，不僅僅是“我不知道答案”，而是大自然本身可能并沒有提前把答案寫好。

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科學(xué)家會告訴你，量子糾纏是微觀世界里兩個粒子之間的神秘關(guān)聯(lián)：無論相隔多遠，對其中一個粒子進行測量，另一個粒子的測量結(jié)果都會表現(xiàn)出強烈關(guān)聯(lián)。愛因斯坦不喜歡這東西，曾把它稱為“鬼魅般的超距作用”。

但別被“粒子”“狀態(tài)”這些詞嚇住。你手里那只手套，雖然不是量子糾纏本身，卻是理解量子糾纏最好的入門道具。

量子糾纏是什么？

普通手套 vs “糾纏手套”

先看普通手套。

一副手套，左手就是左手，右手就是右手。假如把它們分裝進兩個盒子，寄給北京的張三和紐約的李四，打開盒子之前，誰也不知道哪個盒子里是左手。但可以確定的是，“哪個盒子是左手、哪個盒子是右手”這件事早就定好了。打開看到左手的那個盒子，里面本來就裝著左手的手套。

這叫“經(jīng)典關(guān)聯(lián)”。平平無奇。

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現(xiàn)在，量子“魔法”來了。

量子糾纏里的“糾纏手套”，在打開之前，每只都不是確定的左手或右手。它處在一種“既左又右”的模糊狀態(tài)，物理學(xué)家叫它“疊加態(tài)”。兩只手套作為一個整體共享同一個命運：如果張三和李四用同一種方式打開盒子，它們的結(jié)果必定嚴(yán)格配對，但誰是哪只，沒人知道。在標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的描述中，這個答案并不是提前寫好、藏在盒子里的。用更物理的語言說，所謂糾纏態(tài)，就是多個粒子的整體狀態(tài)不能拆成“粒子 A 的狀態(tài) × 粒子 B 的狀態(tài)”這樣幾個單粒子狀態(tài)的乘積，由此導(dǎo)致它只能作為一個整體來描述。

然后，張三在北京打開盒子——嘩。

看到右手的那一瞬間，紐約李四手里的手套如果也用同樣方式打開，就一定會看到左手。

不是張三“通知”了李四，也不是北京有什么神秘信號瞬間飛到了紐約。更準(zhǔn)確地說，是這兩只量子手套本來就不能被看成兩個完全獨立的小東西，它們共同組成了一個不可分割的整體。你對其中一只進行測量，得到的是這個整體狀態(tài)的一部分結(jié)果；事后兩人把記錄拿來一比對，就會發(fā)現(xiàn)結(jié)果之間有一種遠超普通手套的默契。

分發(fā)到兩地的“糾纏手套”。圖源：作者 AI 生成

為什么不能超光速通信？

因為只能“拆盲盒”

相信聰明的你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，量子糾纏可以實現(xiàn)不限距離的超遠距離信息交互。那么，是否也可以利用它進行超光速通信呢？

比如，讓張三在北京，李四在紐約，約好同時打開盒子。打開之后看到左手算0，右手算1。然后用這副手套發(fā)摩斯電碼，左手右手左左右，瞬間傳到大洋彼岸，比光速還快，豈不美哉？

想法很美好，但物理定律不允許啊。

關(guān)鍵在于，糾纏雖然能讓兩邊的結(jié)果配對，卻不能讓一邊把“我測到了什么”直接告訴另一邊。

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張三在北京打開盒子，看到左手或者右手；李四在紐約打開盒子，也看到左手或者右手。兩邊的結(jié)果確實會高度相關(guān)，但李四只看自己手里的結(jié)果時，看到的仍然是一串隨機亂碼。他不知道張三什么時候測量了，也不知道張三測到了什么，更不知道張三想不想用它傳遞信息。

比如，張三看到的是一串結(jié)果：左左右右右左右。李四看到的是另一串結(jié)果：右右左左左右左。事后兩人把記錄一對，才會發(fā)現(xiàn)：“原來每一步都配上了！”

問題就在這個“事后”。他們必須通過電話、網(wǎng)絡(luò)、光纖等經(jīng)典通信方式交換記錄，才能知道兩邊結(jié)果確實相關(guān)。而經(jīng)典通信最快也不能超過光速。所以，量子糾纏雖然能產(chǎn)生跨越空間的強關(guān)聯(lián)，卻不能用來超光速發(fā)消息。

說白了，糾纏像是讓兩個人各自拆盲盒：拆開之后，結(jié)果彼此配對；但你不能靠自己的盲盒，立刻讀出對方想說什么。想告訴李四“明天吃飯”，張三還是得老老實實拿起手機打電話。

所以你看，量子糾纏沒有打破光速限制。

所以，“量子糾纏”到底能干啥？

不能超光速發(fā)微信，這種“默契”還有用嗎？當(dāng)然有。量子糾纏雖然不能傳遞超光速信息，卻能成為量子保密通信和量子計算的重要資源。

1.信息安全的“防拆封條”—— 量子保密通信

張三和李四那串隨機配對的亂碼，看似無用，其實可以變成密碼鑰匙。

他們各自記錄測量結(jié)果，再通過公開但經(jīng)過認證的經(jīng)典信道篩選、糾錯和隱私放大，最后保留下來的隨機數(shù)，就只有兩人知道。

更妙的是，這把鑰匙自帶“防拆封條”。一旦有人中途偷看，就會干預(yù)量子狀態(tài)，并在統(tǒng)計結(jié)果中留下異常痕跡。張三和李四抽取一部分結(jié)果比對，如果發(fā)現(xiàn)誤碼率異常升高，就可以判斷“有人動過！”，密鑰隨即作廢。

利用“量子糾纏”原理進行“量子保密通信”。圖源：作者 AI 生成

這不是單純依靠算法加密，而是在理想模型下，由物理定律給出安全邊界。從“墨子號”到“京滬干線”，再到“濟南一號”等量子微納衛(wèi)星，量子保密通信正在從實驗室走向真實世界。

2.算力的“分身術(shù)”——量子計算機

傳統(tǒng)計算機處理信息，要么0，要么1。量子計算機使用的“量子比特”，卻可以像那只“既左又右”的手套，同時處在0和1的疊加態(tài)中。

但量子計算機不是簡單地“同時走完所有岔路”。它真正厲害的地方，是利用疊加、干涉和糾纏，讓錯誤答案相互抵消，讓正確答案逐漸增強。換句話說，量子計算不是暴力窮舉，而是用量子力學(xué)重新設(shè)計“尋找答案”的方式。

近年來，中國在光量子和超導(dǎo)量子計算方向都取得了重要進展。“九章”“祖沖之”“本源悟空”等代表性成果，正在推動量子計算從實驗驗證走向工程應(yīng)用。

當(dāng)然，今天的量子計算機還不是無所不能的“超級電腦”。它們目前主要在特定問題上展示優(yōu)勢，距離大規(guī)模通用量子計算仍需跨過量子糾錯、系統(tǒng)穩(wěn)定性和芯片擴展等關(guān)口。

另一點重要的是，并不是任何兩個粒子之間都有量子糾纏，實際上，量子糾纏是需要制備的。例如，在光學(xué)實驗中，科學(xué)家經(jīng)常利用非線性光學(xué)過程來制備糾纏光子。雖然在多個粒子之間也可以建立量子糾纏，但一般而言，粒子越多的糾纏態(tài)就越不容易制備。因此，在實驗上，糾纏的制備和保存往往成為瓶頸。

結(jié)語

從信息論可證安全的保密通信，到面向特定問題的量子計算優(yōu)越性，那雙看不見摸不著的“量子手套”，正在從實驗室走進現(xiàn)實世界。

它不能讓你超光速發(fā)微信。但它有望讓通信更安全，讓計算更高效，讓未來的信息技術(shù)擁有新的底層工具。

世界最底層的邏輯，可能比任何科幻故事都要奇異，也比你柜子里的手套，更“魔法”一點點。

策劃制作

作者丨欒春陽中國移動通信研究院未來研究院研究員

審核丨袁嵐峰中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科技傳播系副主任 中國科協(xié)科普研究員

策劃丨何雨濛

責(zé)編丨何雨濛