前兩天有位朋友抱怨，說是看了很多學者關于量子糾纏的科普，但還是一頭霧水，沒有一個人真的講明白的。

我就上網搜了幾個看。确實，大多數科普要麼是光顧着講愛因斯坦和波爾打嘴炮的曆史了，不講物理；要麼講着講着就開始上公式了，人家能看懂公式看你科普幹嘛？還有些就是為了講明白把模型太簡化了，打的比方都是錯的。

作為研究方向就是在量子糾纏領域的磕鹽狗，我來試着用人話來給隻有中學物理基礎的朋友們，科普一下『量子糾纏』究竟是個什麼。

要搞清楚量子糾纏是什麼，首先要對量子力學的世界觀有了解。

現在我們來看一個科普中經常會出現的【錯】的例子——手套。

這個例子是這樣的：一對糾纏粒子就是一對手套，然後我把左手套放進一個盒子，右手套放進另一隻盒子，然後把兩隻盒子在空間上分得很開。這時候我隻打開其中一個盒子，發現裡面是左手，就會知道另一邊肯定是右手。

很多科普會用這個打比方，說這個就是糾纏态。

這個時候大部分正常人都會覺得：這麼簡單？手套一左一右，這傻子也知道啊還要量子力學教我？

House聽了都要留下八個大字，「量子力學就那麼回事」。

實際上如果用量子力學來看這個例子，我們看到的世界應該是這樣的。

我有一對手套，我知道其中肯定有一隻是左手，另一隻是右手。可是對于其中的一隻手套來講，它究竟是左手還是右手，我不知道，手套自己也不知道，no one really knows.

現在我把這兩隻手套分别放進兩個盒子裡。每一個盒子裡，都有了一隻變化莫測的手套，它既是一隻左手套，也是一隻右手套。

你隻要閉上眼睛不看這個手套，這個手套就永遠在搖擺，永遠在左右為難。

你隻有睜開眼睛看了，這個手套才會确定自己究竟是左是右。

這個聽起來就非常玄學了——但這就是量子力學的世界觀，一種概率性的世界，一種不确定的世界。粒子不是我們想象中處于某個位置的一個微粒，而是一個概率波，而當觀測發生時，波函數才會塌縮到一個确定的态。

量子力學為什麼敢這麼講，是有實驗依據的，就是大名鼎鼎的楊氏雙縫幹涉實驗。每次發出一個光子，讓它經過有兩條縫的擋闆，在擋闆後面探測光子會落在哪裡。按理說這個光子肯定是從縫裡穿過去的，不是從左走，就是從右邊走，所以你應該看到光子聚集在兩個地方，形成兩條明亮的條紋。但是，實驗結果顯示你會看到的是明暗交替的很多條幹涉條紋，不止兩條。

（如果光子是一個确定的微粒，結果應該是這樣的）

（實際的實驗結果，顯示了粒子的波動性）

這個結果說明每一個光子，它都是既從左邊走，也從右邊走，同時從兩邊經過。

這個用行話講，叫『疊加态』。一個量子态就是一個概率波，波函數處于多個态的疊加态上。敲黑闆，疊加态不是量子糾纏，疊加态描述的是一個粒子，同時處在多個狀态上。而糾纏态至少要兩個事物。

薛定谔的貓又死又活，就是一種疊加态。

這麼解釋了一通，量子力學聽起來就比較玄學了。

世界是一枚不停旋轉的骰子，沒人觀察，骰子永不落下。

愛因斯坦是接受不了這個世界觀的。因為這個太不經典了啊，經典世界就應該是一切都是客觀存在的，不管你測還是不測，左手套就是左手套，貓活着就是活着，不會因為你看了貓一眼貓就死了，這個觀點就叫【實在論】，客觀存在的物理量不會因為你觀測與否而變化。

愛因斯坦超級讨厭随機性，所以說了一句經典的『上帝不擲骰子』，還有和波爾一起散步的時候那句質問波爾的話：「難道我們不擡頭看月亮，月亮就不存在了嗎？」

上帝：你在教我做事？

所以1935年他提出了糾纏這個概念來攻擊量子力學（他質疑的隻是量子力學的完備性，但是咱們普通人理解為攻擊就可以了。當時他提出的量子糾纏是一種思想實驗，文獻裡經常看到Gedaken experiment這個詞，就是德語裡面思想實驗的意思。這篇論文是量子糾纏領域的開山之作，但其實文章是愛因斯坦（Einstein）的兩個學生Poldosky和Rosen寫了之後，沒征求老闆的意見，把老闆的名字署在第一個就發表了，也是非常虎。所以愛因斯坦對這個paper其實意見很大，覺得這倆學生寫的太不嚴謹了，這是題外話。這篇文章後世稱為EPR佯缪，後面被引用了無數次，成為愛因斯坦人生最高引文章……）

他文章裡考慮的模型是這樣的：

你不是說一個粒子不測量就不塌縮嗎？那我如果有兩個糾纏的粒子就好了，糾纏之後就像兩個手套一樣，總是一個是左手一個是右手。然後我把他們分得非常開。然後我就測A，我看到了A是左手套，就知道了B是右手套。

诶這不是奇怪了嗎？按你的說法每個粒子都應該是一種概率，不測量就不塌縮。我現在隻觀測了A，沒觀測B哦，為什麼B的波函數塌縮到右手套上了。

你量子力學自己說手套是波函數，不測量不塌縮，可是現在A和B離開得那麼遠，你測了A，B也塌縮了。B是怎麼知道自己應該塌縮了，操作或者信息怎麼傳到了B那裡的？超光速的信息傳遞是違反相對論的啊。

看起來，量子糾纏的思想實驗推導出來的結果，違反了經典的【定域論】：在某一點發生的事件，不可能立即影響到另一點，信息不可能比光速更快。

這不就是一個謬論了嗎？

所以愛因斯坦基本是用量子力學的觀點導出一個結論，反過來攻擊量子力學。

思維嚴密，邏輯滿分。愛因斯坦真的值得respect，就連杠别人，都要先站到别人的邏輯裡面，以你量子力學之矛，攻量子力學盾。

這種質疑就非常有力了。

到這裡，量子糾纏的概念就已經很清楚了。大白話說，就是一對某個性質永遠關聯（比如永遠相同或者相反）的系統。比如一對手套，他們的性質是互相關聯的，一左一右。

這個大家沒有争議。

但是這種糾纏究竟是怎麼發生的，各有各的說法。

一方是愛因斯坦為代表的【定域實在論】（他們名字雖然唬人，但是三觀和我們普通人的直覺是一樣的），他們認為：這對手套在分開之前就已經商量好了，誰是左誰是右，分開以後我們就再也不聯系了，哥倆提前商量好的這個條件，就叫隐變量。隐變量理論是Bohm提出來的，一度成為當時的主流觀點。

另一方是波爾為代表的量子力學，他們認為：這對手套隻說好了一件事情——「咱倆得一左一右」。但是至于誰是左誰是右，沒說好，不知道。因為上帝要擲骰子嘛。所以要等到我們觀測的一瞬間，這倆手套才随即塌縮成一左一右——是被觀測的那一瞬間才同時地、随便地、塌縮的。

所以可以這麼理解，量子力學和隐變量理論争論的焦點就在于：哥倆究竟有沒有提前說好。

這個就是長達幾十年的隐變量之争論。

這個就很難搞了。因為你們這兩種理論對應的現象是一樣的，隻是在争論倆手套有沒有提前商量好——這讓實驗狗怎麼驗證呢？

然後貝爾就出現了！這個人是愛因斯坦的迷弟，看不慣波爾糾結一幫哥本哈根學派怼愛因斯坦，立志要幫哥哥出氣，然後就埋頭苦思，最後竟然搞出一個可以用來區别這兩種理論的實驗方案。

貝爾的方案的關鍵點在于：如果哥兒倆是提前說好的，之後就不用聯系了，我再對其中一個進行操作，另一個就不知道了。但是如果是沒有提前說好，那分開後，如果操作其中一個，另一個也會受到影響。

貝爾的方案當然更嚴密更精巧：利用一對偏振糾纏的光子對，把他們在空間上分開，并都通過一個偏振片。如果是隐變量理論的話，糾纏光子對中的其中一個光子通過一邊偏振片的概率，和另一邊的偏振片的角度沒有關系。而在量子力學中，其中一個光子通過偏振片的概率，和兩邊的偏振片的角度都有關系。

貝爾結合以上這種邏輯，推導出一個貝爾不等式來。

如果實驗結果符合貝爾不等式，說明光子的偏振是在一開始就确定了的。而如果實驗違反了貝爾不等式，那麼證明雖然糾纏光子的屬性是相互關聯的，但卻不是在一開始時就确定了的。

後來的故事大家都知道了—— John Clauser和Alain spect 的實驗證明了，我們所處的這個世界是違反貝爾不等式的。

自1935年EPR佯缪文章問世後揭開的這場曠日持久的論戰，随着2022年諾貝爾物理學獎的公布，似乎終于塵埃落定。

其中，Clauser第一個設計實驗來測量貝爾不等式，發現實驗結果違反貝爾不等式。Clauser和Bell都是相信愛因斯坦的，誰能想到他倆一個做理論一個做實驗，最後雙劍合璧狠狠插了愛因斯坦一刀，真是造化弄人……

然後就是Alain Aspect，他是利用糾纏光子對嚴謹地證明了實驗是違反貝爾不等式的。最後是Zeilinger，也是做了Bell test，以及是開創了量子隐形傳态學科。

随着諾獎公布，隐參量理論退出曆史舞台，非定域論取得勝利。但這不隻是哥本哈根學派的勝利，而是整個物理科學的勝利。愛因斯坦的理論雖然被證明是錯的，但他率先提出的量子『糾纏』的概念，則打開了新世界的大門。

量子秘鑰分發，是量子糾纏的一個典型應用

現在我們知道了，上帝不僅擲骰子，而且在我們看不見的地方擲；月亮隻有當我們擡頭看的時候才挂在天上，沒人看她的時候，她同時出現在這個宇宙的每個角落。

而科學仍然在向前。

就在今年，我在的實驗室剛完成了這樣一個實驗：我們在一團玻色愛因斯坦凝聚體中制備了糾纏，而後将它分為兩團原子并在空間上分開。在分開的兩團原子之間，我們觀測到了EPR糾纏。

1935年愛因斯坦提出糾纏的概念用來質疑量子力學的完備性，87年之後的今天，人類第一次在兩個多粒子體系之間觀察到了這樣的EPR佯缪。這證明了量子力學與局域實在論的矛盾，即使在更大、更宏觀、更複雜的體系中依然存在。

量子力學能在宏觀上走到哪裡，現在還沒人知道。

最後澄清一個問題，量子糾纏究竟能不能超光速地傳遞信息？

不能！量子糾纏傳遞的是無效信息，因為這兩個粒子是糾纏的，糾纏的意思就是他們共享一個波函數，不是兩個獨立物體，所以你一測其中一個，整個波函數就坍塌了。

關于這個郭光燦院士有個很形象的比喻大概是這樣的：有一對母女，媽媽和女兒兩地分居。女兒懷孕生了小孩，在小孩出生的那一瞬間，遠在千裡之外的媽媽就自動升級成了外婆。這中間并沒有信息傳遞給媽媽，是母女之間的這種關聯，使得她在那一瞬間就成為了外婆。

最後的最後，再澄清一個問題，量子糾纏是不是證明了心靈感應？

不是！量子力學現在研究的都是微觀粒子。兩個大活人之間的心靈感應，屬于情感範疇，需要看點征婚網站而不是科普文章。

以及現在關于量子力學的研究，都還隻在實驗室階段。市面上任何你能見到的，帶有『量子』兩個字的産品，都和量子半毛錢關系都沒有。各位爺叔姨婆，千萬不要相信任何『量子記憶』，『量子波動速讀』之類的産品，都是智商稅！

好啦，今天的科普就到這裡。

祝大家一切順利，遇事不決，量子力學！

--阿璠的後花園

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