量子糾纏：遠超光速的“傳輸”（多圖）

量子糾纏是指粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)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、甚至像小鉆石一類的介觀粒子，都可以觀察到量子糾纏現(xiàn)象。

量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。

假設(shè)，由兩個粒子組成的復(fù)合系統(tǒng)處于量子糾纏，對于其中一個粒子做測量得到結(jié)果（例如，自旋為上旋），則另外一個粒子在之后任意時間做測量，必定會得到關(guān)聯(lián)結(jié)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(jù)量子理論，測量的效應(yīng)具有瞬時性質(zhì)。

1935年，量子力學(xué)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(fā)表的論文里，針對量子力學(xué)理論進行了批判，認(rèn)為量子力學(xué)并不完備。

根據(jù)量子力學(xué)的“不確定性原理”，處于糾纏態(tài)的兩個粒子，在被“觀測”之前，其狀態(tài)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(tài)的同時（比如為上旋），另外的一個粒子的狀態(tài)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(jù)此認(rèn)為量子力學(xué)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(zhì)疑量子力學(xué)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(rèn)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(xiàn)象該這么解釋：如同兩個黑箱子里面各放一只手套一樣，在不打開其中的一個箱子前，不確定里面是哪一只，一旦打開一個箱子，在看到這只手套的同時，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(xué)的重要奠基人之一，他提出了關(guān)于“量子糾纏”的解釋：這個現(xiàn)象并不違背相對論，在量子力學(xué)的層面上，在測量粒子前，你不能定義它們，實際上它們?nèi)允且粋€整體。不過在測量它們之后，它們就會脫離量子糾纏的狀態(tài)。

愛因斯坦的主張得到了物理學(xué)家薛定諤的支持，愛因斯坦和薛定諤兩人，在量子力學(xué)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(xué)的對立面，甚至連量子理論的最初創(chuàng)立者普朗克，因為那駭人聽聞的“解釋”而走向了量子力學(xué)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，處于糾纏態(tài)的兩個粒子在被測量前，其狀態(tài)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(qū)別。

根據(jù)“不確定性原理”，在觀測處于糾纏態(tài)的一個粒子之前，你根本無法預(yù)測這粒子是什么狀態(tài)，是粒子，是波，即是粒子又是波？亦或什么都不是。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(dāng)然讓人難以信服，按照這個解釋，當(dāng)你不去看月亮?xí)r，月亮也會“發(fā)散”開來，變成一團非粒子亦非波的東西。甚至當(dāng)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 ?！边@句話長期被當(dāng)成唯心主義言論而被批判，現(xiàn)在看來，這簡直就是量子力學(xué)解釋的翻版。

為何這些現(xiàn)象和現(xiàn)實格格不入？其實量子力學(xué)的解釋是基于普朗克尺度或亞原子尺度（極微觀尺度）的，生活中的現(xiàn)象完全可以利用經(jīng)典力學(xué)來解釋。比如按照量子力學(xué)的原理，如果一個人不停地去撞墻，那么他確實有一定的幾率“穿墻而過”，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(fā)生。

現(xiàn)代的物理學(xué)家已將量子糾纏現(xiàn)象視為粒子的基本特性，但是科學(xué)家仍不清楚其中的作用機制。

依據(jù)建立在“不確定性原理”基礎(chǔ)上的“量子糾纏”，科學(xué)家們提出了“量子通信”的設(shè)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(xué)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(tài)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(xiàn)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(fā)揮其真正的威力。

在貝內(nèi)特提出量子通信概念以后，6位來自不同國家的科學(xué)家，基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實現(xiàn)量子隱形傳送的方案，即將某個粒子的未知量子態(tài)傳送到另一個地方，把另一個粒子制備到該量子態(tài)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(xué)的中國青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實現(xiàn)了未知量子態(tài)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(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸?shù)闹皇潜磉_量子信息的“狀態(tài)”，作為信息載體的光子本身并不被傳輸。2009年9月，潘建偉的科研團隊在3節(jié)點鏈狀光量子電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建成了世界上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)，首次實現(xiàn)了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產(chǎn)品中位居國際先進水平，標(biāo)志著中國在城域量子網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)達到了產(chǎn)業(yè)化要求。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人，與中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇、光電技術(shù)研究所黃永梅等組成聯(lián)合團隊，于2011年10月在青海湖首次成功實現(xiàn)了百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。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(wèi)星的遠距離信息傳輸問題。以量子通訊衛(wèi)星核心技術(shù)的突破，也表明未來構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)具備技術(shù)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(xiàn)象，在現(xiàn)代不但得到了驗證，而且會在不遠的將來造福人類。