被稱為「幽靈般的超距作用」的糾纏到底是個啥？

　　來源：原理（微信公眾號：principia1687）

　　我們經常在新聞中看到量子計算機、量子密碼學和「量子……」等概念。與量子有關的文章會不可避免地提到糾纏，正是糾纏這一量子物理學性質，使得所有這些神奇的裝置成為可能。

　　愛因斯坦稱糾纏為「幽靈般的超距作用」，這個名字一直流傳至今，並越來越受歡迎。理解和利用糾纏除了能有助於建造更好的量子計算機，它在其他方面也很有用。例如，我們可以用它來更精確地測量引力波，以及更好地理解特殊材料的性質。它在其他地方也有微妙的體現：我一直在研究相互碰撞的原子是如何糾纏在一起的，以理解這如何影響原子鐘的精度。

　　但什麼是糾纏？有什麼方法可以理解這種「幽靈」般的現象嗎？我將試圖通過結合物理學中的兩個概念——守恆定律和量子疊加——來解釋它。

　　守恆定律

　　守恆律是物理學中一些最深刻、最普遍的概念。能量守恆定律指出，孤立系統的總能量保持不變（儘管這些能量可以從電能轉化為機械能，再轉化為熱能，等等）。這條定律是蒸汽機、電動車等所有機器運轉的基礎。守恆定律就像是會計報表：你可以與周圍環境交換部分能量，但能量的總量必須保持不變。

　　當兩個體重不同的滑冰者相互推離時，較輕的一方比較重的一方遠離的速度更快，這背後的原因可以用動量守恆（動量 = 質量 × 速度）來解釋。動量守恆定律也解釋了那句著名的話：「每一個作用都有一個大小相等、方向相反的反作用。」讓我們再回到滑冰者的例子，角動量守恆可以解釋，為什麼一個旋轉的花樣滑冰運動員可以通過把手臂靠近身體來加速旋轉。

　　我們已經通過實驗證實，這些守恆定律適用於宇宙中極為寬泛的尺度範圍，從遙遠星系中的黑洞一直到最微小的自旋電子。

　　量子疊加

　　想像你在森林裡進行一次愉快的徒步旅行。你來到一個岔路口，卻發現自己在掙扎著決定到底是向左走還是向右走。左邊的那條路看起來黑暗而陰沉，但據說這條路會通往美麗的風景；右邊的那條路看起來陽光明媚卻很陡峭。終於，你決定向右走，但心裡卻對那條沒有走過的路充滿渴望。然而在量子世界中，你可以同時選擇這兩條路。

　　對於量子力學描述的系統（也就是那些與熱量和外部擾動充分隔離的物體），物理學定律來得更加有趣。就像陀螺一樣，電子可以處於順時針旋轉的狀態，或逆時針旋轉的狀態。但與陀螺不同的是，電子還可以處於「順時針+逆時針」的旋轉狀態。

　　量子系統的狀態可以相加，也可以相減。從數學上看，量子態的結合規律可以用向量相加減的規則來描述。我們用疊加來表示量子態的結合。在雙縫實驗、波粒二象性等等你可能聽說過的奇怪量子效應背後的原理，正是量子疊加。

　　假設你決定迫使一個處於 {順時針旋轉}+{逆時針旋轉} 的疊加態的電子產生一個確定的狀態。那麼電子最終會隨機地處於要麼{順時針旋轉} 狀態，要麼{逆時針旋轉} 狀態。我們很容易計算出一種結果相對另一種結果的概率。如果你的世界觀要求宇宙以完全可預測的方式運行，那麼這個過程的內在隨機性可能會讓你困擾，但這就是經過實驗檢測的現實。

　　守恆定律與量子力學

　　現在讓我們把這兩個概念結合起來，將能量守恆定律應用到一對量子粒子上。

　　想像一對量子粒子（比如原子）最開始有100個單位的能量。你和你的朋友把這對粒子分開，各拿一個。你發現你的原子有40個單位的能量，根據能量守恆定律，你推導出你朋友所持的原子一定有60個單位的能量。一旦你知道了自己的原子的能量，也就馬上知道了你朋友的原子的能量。即使你的朋友從未向你透露過任何信息，你也會知道這一點。即使你的朋友處於銀河系的另一邊，當你測量自己的原子的能量時，你還是會知道這一點。一旦你意識到這只是相關性，而不是因果關係，就會知道這根本一點都不「幽靈」。

　　但一對原子的量子態可能更有趣。在遵守能量守恆定律的前提下，這對原子的能量可以按照許多可能的方式進行分配，它們的結合態可以處於疊加態，例如：

　　{你的原子：60個單位；朋友的原子：40個單位} +

　　{你的原子：70個單位；朋友的原子：30個單位}。

　　這是兩個原子的糾纏態。無論是你的還是你朋友的原子，在這個疊加態中都沒有確定的能量。然而，由於能量守恆，這兩個原子的性質是相互關聯的：它們的能量加起來總是100個單位。

　　例如，如果你測量自己的原子，發現它處於能量為70個單位的狀態，那麼你可以確定你朋友的原子有30個單位的能量。即使你的朋友從未向你透露過任何信息，你也會知道這一點。多虧了能量守恆，讓你和你的朋友即使相距一個銀河系的距離，也能彼此知道這一點。

　　根本不存在什麼幽靈。

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