量子糾纏

量子糾纏是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，雖然粒子在空間上可能分開[1]。

糾纏是關於量子力學理論最著名的預測 。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠距離，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態 。當其中一顆被操作(例如量子測量)而狀態發生變化，另一顆也會即刻發生相應的狀態變化 。

尼爾斯·玻爾將量子糾纏稱為"鬼魅似的遠距作用"(spooky action at a distance) 。但這並不僅僅是個詭異的預測，而是已經在實驗中獲得的現象，比如科學家通過向兩個處於室溫的糾纏的小鑽石發射激光(圖中綠色) 。科學家希望能夠建造量子計算機，利用粒子糾纏進行超高速計算 。

在物理學中，量子糾纏是指存在這樣一些態:一、A,B,C，…，在t<

時，這些態之間不存在任何相互作用;二、當t>

時，它們的狀態由Hilbert空間(希爾伯特空間)HA，HB，HC...，中的矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,…所描述，由A，B，C空間構成的量子系統ABC則由Hilbert空間HABC...=.HA ×HB ×HC...中矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C所描述，則這樣的態被稱為比Hilbert空間的直積態。否則稱態| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,.…是糾纏態。也就是說，如果存在糾纏態，就至少要有兩個以上的量子態進行疊加。

量子糾纏說明在兩個或兩個以上的穩定粒子間，會有強的量子關聯。例如在雙光子糾纏態中，向左(或向右)運動的光子既非左旋，也非右旋，既無所謂的x偏振，也無所謂的y偏振，實際上無論自旋或其投影，在測量之前並不存在。在未測之時，二粒子態本來是不可分割的。

量子糾纏所代表的在量子世界中的普遍量子關聯則成為組成世界的基本的關聯關係。或許用糾纏的觀點來解釋"夸克禁閉"之謎。當一個質子處於基態附近的狀態時，它的各種性質可以相當滿意地用三個價夸克的結構來說明。但是實驗上至今不能分離出電荷為2e/3的u夸克或(-e/3)的d夸克，這是由於夸克之間存在著極強的量子關聯，後者是如此之強，以至於夸克不能再作為普通意義下的結構性粒子。通常所說的結構粒子a和b組成一個複合粒子c時的結合能遠小於a和b的靜能之和，a或b的自由態與束縛態的差別是不大的。而核子內的夸克在"取出"的過程中大變而特變，人們看到的只能是整數電荷的介子等強子。同一個質子，在不同的過程中有不同的表現，在理解它時需要考慮不同的組分和不同的動力學。一個質子在本質上是一個無限的客體。實質上整個宇宙是一個整體的能量慣性體系包括實在的粒子和空間，由於能量慣性的存在，整個能量體系時刻按一定的能量運動規律運動，宇宙中的每一個粒子作為宇宙能量的一分子它本身的能量慣性狀態始終與宇宙環境保持一致即能量的穩定性，它們的電磁能量波始終存在著相互作用。當倆物質粒子同時處於某一狀態即盡量使之處於基態或能量控制編碼態，它們在相互作用時產生了電磁能量慣性互動及量子糾纏現象。因此，物質具有能量然而人們只能從物質的相互作用中獲得並得到利用。

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森( Einstein, Podolsky and Rosen) 等人提出一種波，其量子態:

其中x1，x2分別代表了兩個粒子的坐標，這樣一個量子態的基本特徵是在任何錶象下，它都不可以寫成兩個子系統的量子態的直積的形式:

這樣的量子態稱為糾纏態。

從19世紀末到20世紀初，量子力學快速發展並完善起來，解決了許多經典理論不能解釋的現象，大量的實驗事實及實際應用也證明了量子力學是一個成功的物理理論。但是關於量子力學的基本原理的理解卻存在不同的解釋。

眾多的物理學家在自己觀點的指引下，對量子力學的基本解釋提出

了自己的看法，主要有三種:傳統解釋、PTV系統解釋和統計解釋，這三種解釋之間既有區別又有聯繫。

傳統解釋出發點是量子假設，強調微觀領域內每個原子過程或基元中存在著本質的不連續，其核心思想是玻爾的互補原理(並協原理)，還接受了玻恩對態函數的概率解釋，並把這種概率理解為是同一個粒子在給定時刻出現在某處的概率密度。PTV系統解釋的代表是玻姆，這種解釋試圖通過構造各種隱變數量子論來尋找量子力學的決定論基礎，即為態函數的概率解釋建構決定論的基石，目的是在微觀物理學領域內恢複決定論和嚴格因果性，消除經典世界同量子世界的獨特劃分，回到經典物理學的預設概念，建立物理世界的統一說明。統計解釋認為態函數是對統計系統的描述，量子理論是關於系統的統計理論，這個系統是由全同地(或相似的)製備的系統組成，不需要一個預先確定的動力學變數的集合，是一種最低限度的系統解釋。

上面講到三種觀點之間，是既有聯繫又有區別，正是由於各方都堅持己見，才有了著名的愛因斯坦與玻爾之間的論戰，量子糾纏才被愛因斯坦以一個悖論的疑問提出。量子糾纏就此提出。

1927年9月，玻爾在科摩會議中首度公開地演講他的互補原理，由於他採用了大量的哲學語言來闡釋互補原理，使大家感到震驚與困惑。當時大多數人對於測不準關係及互補原理的深刻內涵還不大明了。幾個星期後在布魯塞爾舉行的第五屆solvya會議，包括玻爾、愛因斯坦、玻恩、薛定諤、海森堡等世界最著名的科學家都出席了這項盛會。玻爾在會議中重述了他在科摩會議上的觀點。由於愛因斯坦並未參加科摩會議，這還是他首次聽到玻爾親自闡述互補原理和對量子力學的詮釋。

1951年，玻姆在《量子理論》中重新表述了EPR思想，用兩個自旋分量代替原來的坐標和動量，為進一步研究特別是實驗檢驗奠定了基礎。

1952年，玻姆在《物理學評論》上連續發表兩篇文章，提出了量子力學的隱變數解釋。玻姆認為，在量子世界中粒子仍然是沿著一條精確的連續軌跡運動的，只是這條軌跡不僅由通常的力來決定，而且還受到一種更微妙的量子勢的影響。量子勢由波函數產生，它通過提供關於整個環境的能動信息來引導粒子運動，正是它的存在導致了微觀粒子不同於宏觀物體的奇異的運動表現。玻姆理論最引人注目之處在於它對測量的處理。在這一理論中，量子系統的性質不只屬於系統本身，它的演化既取決於系統同時也取決於測量儀器。因此，關於隱變數的測量結果的統計分布將隨實驗裝置的不同而不同。正是這個整體性特徵保證了玻姆的隱變數理論與量子力學(對於測量結果)具有完全相同的預測。然而，它也導致了一個令人極不舒服的結果。根據玻姆理論的預言，儘管它為粒子找回了軌跡，但卻是一條永遠不可見的軌跡，理論中引入的隱變數-粒子的確定的位置和速度都是原則上不可測知的。人們永遠無法知道粒子實際的運動軌跡，對它們的測量將總是產生與量子力學相一致的結果。

此外，玻爾理論所假設的另一物理實在波函數同樣是不可探測的隱變數，因為對單個粒子的物理測量一般只產生一個關於粒子性質的確定的結果，而根本測不到任何平場的性質。

摺疊 編輯本段 研究成果 摺疊 糾纏態製備

多光子糾纏態的製備和操控一直是量子信息領域的研究重點。世界上普遍利用晶體中的非線性過程來產生多光子糾纏態，其難度會隨著光子數目的增加而指數增大。

2000年，美國國家標準局在離子阱系統上實現了四離子的糾纏態。

2004年，合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部的研究人員打破了這一紀錄，在國際上首次成功實現五光子糾纏的操縱。

2005年底，美國國家標準局和奧地利因斯布魯克小組分別宣布實現了六個和八個離子的糾纏態，並且一直保持著這個紀錄。

中科院量子信息重點實驗室李傳鋒、黃運鋒研究組在郭光燦院士的領導下，成功製備出八光子糾纏態--GHZ態，並進一步利用產生出的糾纏態完成了八埠量子通信複雜性實驗。實驗結果超越了以往界限，展示了量子通信抗干擾能力強、傳播速度快的優越性。研究工作於2011年11月22日在線發表在《自然·通訊》上。

量子態隱形傳輸，是對古典物理稱為「定域性定律」（locality）的基本原則又一打擊。其定律指出，一個物體只能被它周圍的環境直接影響。量子論承認「幽靈般的遠程效應」。

物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾1964年首先設計一個實驗作為證明「『幽靈般的遠程效應』真實存在」的一種方法，因此，研究人員把他們的實驗稱為「沒有漏洞的貝爾測試」。

1997年奧地利首次驗證

1997年，奧地利塞林格小組在室內首次完成了量子態隱形傳輸的原理性實驗驗證。

2004年奧地利測試數百米級

2004年，奧地利該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子「超時空穿越」距離提高到600米。但由於光纖信道中的損耗和環境的干擾，量子態隱形傳輸的距離難以大幅度提高。

2005年中國科大測試十公里級

中國科學技術大學潘建偉、彭承志等研究人員的小組早在2005年就在合肥創造了13公里的自由空間雙向量子糾纏「拆分」、發送的世界紀錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。

2007年開始，中國科大——清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子信道，並取得了一系列關鍵技術突破，最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基於衛星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。該成果已經發表在2010年6月1日出版的英國《自然》雜誌子刊《自然·光子學》上，並引起了國際學術界的廣泛關注。

2015年荷蘭的1公里級

2015年10月25日《荷蘭科學家證實量子糾纏：物質遠隔萬里卻相互作用》報道：荷蘭代爾夫特理工大學的科學家們把兩顆鑽石分別放在代爾夫特理工大學校園內的兩側，距離1.3公里。每塊兒鑽石含有一個可以俘獲單個電子的微小空間，此空間具有一種稱為「自旋」的磁性，然後用微波和激光能的脈衝來糾纏，並測量電子的「自旋」。校園的兩側設有探測器，兩個電子之間的距離確保做測量的同時，信息無法以傳統的方式交換。

由鏈狀糾纏粒子環繞整個地球而形成的量子通信網路。這種網路能夠安全地共享加密密碼，並且絕對能夠監測到竊聽的企圖。

統認為光速最快，但2015年3月6日新聞稿「中科大實現量子瞬間傳輸技術重大突破」報道，中國科技大學潘建偉教授主持的量子隱形傳態研究項目組2013年測出，量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數量級。在量子糾纏的幫助下，帶傳輸量子攜帶的量子信息可以被瞬間傳遞並被複制，因此就相當於科幻小說中描寫的「超時空傳輸」，量子在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。

這是他團隊的偉大成績。