十二五成果「愛因斯坦的幽靈」—量子糾纏是上帝擲骰子嗎？

量子糾纏是指粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象，這種影響不受距離的限制，即使兩個粒子分隔在直徑達10萬光年的銀河系兩端，一個粒子的變化仍會瞬間影響另外一個粒子……

像光子、電子一類的微觀粒子，或者像分子、巴克明斯特富勒烯、甚至像小鑽石一類的介觀粒子，都可以觀察到量子糾纏現象

量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象；在經典力學裡，找不到類似的現象

假設，由兩個粒子組成的複合系統處於量子糾纏，對於其中一個粒子做測量得到結果（例如，自旋為上旋），則另外一個粒子在之後任意時間做測量，必定會得到關聯結果（在此案例里，自旋為下旋）

量子糾纏的作用速度比光速還快。最近完成的一項實驗顯示，量子糾纏的作用速度至少比光速快10,000倍。這還只是速度下限。根據量子理論，測量的效應具有瞬時性質

1935年，量子力學理論的「老對手」愛因斯坦最先指出「量子糾纏」的「荒謬之處」，在他和波多爾斯基、羅森共同發表的論文里，針對量子力學理論進行了批判，認為量子力學並不完備

根據量子力學的「不確定性原理」，處於糾纏態的兩個粒子，在被「觀測」之前，其狀態是「不確定」的，如果對其中的一個粒子進行觀測，在確定了這個粒子狀態的同時（比如為上旋），另外的一個粒子的狀態瞬間也會被確定（下旋）

這種鬼魅一般的「傳遞」作用不但有違常理，也「違背」了愛因斯坦的相對論，但這偏偏又是無可辯駁的事實，愛因斯坦據此認為量子力學仍然存在缺陷，是不完備的

「上帝不擲骰子」，這是愛因斯坦的名言，也是他一直質疑量子力學之根基——「不確定性原理」的原因所在，愛因斯坦厭惡這種「不確定性」。他認為肯定還有更好的解釋，甚至是更完美、更完備的理論來解釋這一切

按照愛因斯坦的理論，刨除「不確定性原理」的量子糾纏現象該這麼解釋：如同兩個黑箱子裡面各放一隻手套一樣，在不打開其中的一個箱子前，不確定裡面是哪一隻，一旦打開一個箱子，在看到這隻手套的同時，可立即確定另外一個箱子里的手套是哪只。即使這兩個箱子在銀河系的兩端

波爾是量子力學的重要奠基人之一，他提出了關於「量子糾纏」的解釋：這個現象並不違背相對論，在量子力學的層面上，在測量粒子前，你不能定義它們，實際上它們仍是一個整體。不過在測量它們之後，它們就會脫離量子糾纏的狀態

愛因斯坦的主張得到了物理學家薛定諤的支持，愛因斯坦和薛定諤兩人，在量子力學建立的初期做出了不可磨滅的貢獻，但最終兩人站在了量子力學的對立面，甚至連量子理論的最初創立者普朗克，因為那駭人聽聞的「解釋」而走向了量子力學的對立面

雖然愛因斯坦的解釋更易被大眾接受，也更易理解，但很遺憾，他是錯的。實驗證明，處於糾纏態的兩個粒子在被測量前，其狀態確實是不確定性的，這種不確定性與「黑箱手套」的解釋有著根本的區別

根據「不確定性原理」，在觀測處於糾纏態的一個粒子之前，你根本無法預測這粒子是什麼狀態，是粒子，是波，即是粒子又是波？亦或什麼都不是。只有在觀測的一霎那，它「變成」了你可以測量的粒子

這個解釋當然讓人難以信服，按照這個解釋，當你不去看月亮時，月亮也會「發散」開來，變成一團非粒子亦非波的東西。甚至當你閉眼時，整個世界都會不存在？

我國明代的思想家王陽明有句名言：「你未看此花時，此花與汝同寂，你來看此花時，此花顏色一時明白起來 。」

這句話長期被當成唯心主義言論而被批判，現在看來，這簡直就是量子力學解釋的翻版

為何這些現象和現實格格不入?其實量子力學的解釋是基於普朗克尺度或亞原子尺度（極微觀尺度）的，生活中的現象完全可以利用經典力學來解釋

比如按照量子力學的原理，如果一個人不停地去撞牆，那麼他確實有一定的幾率「穿牆而過」，但這幾率太小太小，他試到宇宙毀滅的那一刻可能都不會發生

現代的物理學家已將量子糾纏現象視為粒子的基本特性，但是科學家仍不清楚其中的作用機制

依據建立在「不確定性原理」基礎上的「量子糾纏」，科學家們提出了「量子通信」的設想，按照不確定性的原理，這種傳輸信息的方式從根本上杜絕了被破譯的可能，即使信息被截取，其「不確定性」使得破譯者根本無從下手

1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信概念的提出，使愛因斯坦的「幽靈（Spooky）」 ——量子糾纏效益開始真正發揮其真正的威力

在貝內特提出量子通信概念以後，6位來自不同國家的科學家，基於量子糾纏理論，提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案，即將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方，把另一個粒子製備到該量子態上，而原來的粒子仍留在原處，這就是量子通信最初的基本方案

1997年在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的只是表達量子信息的「狀態」，作為信息載體的光子本身並不被傳輸

2009年9月，潘建偉的科研團隊在3節點鏈狀光量子電話網的基礎上，建成了世界上首個全通型量子通信網路，首次實現了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產品中位居國際先進水平，標誌著中國在城域量子網路關鍵技術方面已經達到了產業化要求

中國科學技術大學教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人，與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊，於2011年10月在青海湖首次成功實現了百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發

在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。以量子通訊衛星核心技術的突破，也表明未來構建全球量子通信網路具備技術可行性

這個自被提出之時就讓人感到「匪夷所思」的理論和現象，在現代不但得到了驗證，而且會在不遠的將來造福人類

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