什麼是“糾纏”？

這是系統各部分之間的相關性。假設您有一本 100 頁的書，如果您閱讀 10 頁，您将了解 10% 的内容。如果你再讀 10 頁，你會再學到 10%。但在一本高度糾纏的量子書中，如果你一次讀一頁——甚至是 10 頁——你幾乎什麼也學不到。信息沒有寫在頁面上。它存儲在頁面之間的相關性中，因此您必須以某種方式一次讀取所有頁面。

再比如，我們讀包含有20個字的一句話，我們需要把整句話讀完才能準确明白這句話的意思。顯然，這句話的信息不僅僅隻是這20個字的信息的簡單疊加，更主要的是這20個字之間的關聯性。

進入到量子世界，當兩個或多個粒子以某種方式連接起來時，無論它們在空間中相距多遠，它們的狀态都會保持連接。這意味着它們共享一個共同的、統一的量子态。因此，對其中一個粒子的觀察可以自動提供有關其他糾纏粒子的信息，而不管它們之間的距離如何。對糾纏态的一個粒子的任何動作都将不可避免地影響糾纏系統中的其他粒子。

物理學家在 20 世紀初期研究量子力學時，發展了糾纏背後的基本思想。他們發現，為了正确描述亞原子系統，他們必須使用一種叫做量子态的東西。

在量子世界中，沒有什麼是确定的。例如，你永遠不知道原子中電子的确切位置，隻知道它可能在哪裡。量子态概括了測量粒子特定屬性的概率，例如其位置或角動量。因此，電子的量子态描述了可能找到它的所有位置，以及在這些位置找到電子的概率。

量子态的另一個特征是它們可以與其他量子态相關聯，這意味着對一種狀态的測量會影響另一種狀态。在 1935 年的一篇論文中，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑裡斯·波多爾斯基和内森·羅森研究了相關量子态之間相互作用的強度。他們發現，當兩個粒子強相關時，它們會失去各自的量子态，而是共享一個單一的、統一的狀态。這種統一狀态将被稱為量子糾纏。

如果兩個粒子糾纏在一起，這意味着它們的量子态密切相關并變得統一，那麼無論粒子彼此相距多遠，對其中一個粒子的測量都會自動影響另一個粒子。第一個使用“糾纏”這個詞的物理學家是埃爾文·薛定谔，他将糾纏描述為量子力學最本質的東西。

正如愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發現的那樣，糾纏是瞬間出現的：一旦你知道一個量子态，你就會自動知道任何糾纏粒子的量子态。原則上，你可以将兩個糾纏的粒子放在星系的兩端，并且仍然擁有這種瞬時知識，這似乎違反了光速的極限。

這一結果被稱為 EPR 悖論——愛因斯坦将這種效應稱為“遠距離的幽靈行為”。他用這個悖論作為量子理論不完備的證據。但實驗一再證實，無論距離如何，糾纏粒子确實會相互影響，而量子力學至今仍得到驗證。盡管糾纏系統不保持局域性（意味着糾纏系統的一部分可以立即影響遙遠的粒子），但它們确實尊重因果關系，這意味着結果總是有原因的。遠處粒子處的觀察者不知道本地觀察者是否擾亂了糾纏系統，反之亦然。他們必須以不超過光速的速度相互交換信息才能确認。

換句話說，光速施加的限制仍然适用于糾纏系統。雖然您可能知道遠處粒子的狀态，但您無法以比光速更快的速度傳達此信息。

有許多方法可以産生糾纏粒子。一種方法是冷卻粒子并将它們放置得足夠近，以便它們的量子态（代表位置的不确定性）重疊，從而無法将一個粒子與另一個粒子區分開來。

另一種方法是依靠一些亞原子過程，如核衰變，自動産生糾纏粒子。還可以通過分裂單個光子并在此過程中産生一對光子，或通過在光纖電纜中混合光子對來創建糾纏光子對。

也許量子糾纏最廣泛使用的應用是在密碼學中。在這種情況下，發送者和接收者建立了一個安全的通信鍊接，其中包括成對的糾纏粒子。發送方和接收方使用糾纏粒子生成隻有他們自己知道的私鑰，他們可以使用這些私鑰對他們的消息進行編碼。如果有人攔截信号并嘗試讀取私鑰，糾纏就會中斷，因為測量糾纏粒子會改變其狀态。這意味着發送方和接收方将知道他們的通信已被破壞。

糾纏的另一個應用是量子計算，其中大量粒子糾纏在一起，從而使它們能夠協同工作以解決一些大而複雜的問題。例如，隻有 10 個量子位的量子計算機可以表示與 2^10 個傳統位相同的内存量。

與通常使用的“傳送”一詞相反，量子傳送不涉及粒子本身的移動或平移，相反，在量子隐形傳态中，關于一種量子态的信息被傳輸很遠的距離并在其他地方複制。最好将量子隐形傳态視為傳統通信的量子版本。

首先，發送者準備一個粒子來包含他們想要傳輸的信息（即量子态）。然後，他們将這種量子态與一對糾纏的粒子中的一個結合起來。這會導緻另一個糾纏對發生相應的變化，它可以位于任意距離之外。

然後接收器記錄該糾纏對的變化。最後，發送方必須通過正常通道（即受光速限制）傳輸對糾纏對所做的原始更改。這允許接收器在新位置重建量子态。

傳遞一條微不足道的信息似乎需要做很多工作，但量子隐形傳态可以實現完全安全的通信。如果竊聽者攔截了信号，他們将打破糾纏，當接收者将傳統信号與糾纏對中所做的變化進行比較時，就會發現糾纏。

簡單的 2 量子位糾纏對 (EPR) 在量子計算中有一些已确定的應用，包括：

簡而言之，超密集編碼是使用 1 個糾纏量子位傳輸 2 個經典信息位的過程。超密集編碼可以：

• 允許用戶提前發送重建經典消息所需的一半時間，讓用戶以雙倍速度傳輸，直到預先交付的量子位用完。
• 通過在高延遲通道上發送一半的信息來支持從低延遲通道傳來的信息，從而将高延遲帶寬轉換為低延遲帶寬。
• 在雙向量子信道的一個方向上雙倍經典容量（例如，将帶寬為 B 的雙向量子信道（在兩個方向上）轉換為帶寬為 2B 的單向經典信道）。

密碼學的關鍵是在兩方之間提供安全通道。糾纏實現了這一點。如果兩個系統純粹糾纏在一起，則意味着它們彼此相關（即，當一個系統發生變化時，另一個系統也會發生變化）并且沒有第三方共享這種相關性。此外，量子密碼學受益于不可克隆定理，該定理指出：“不可能創建任意未知量子狀​态的獨立且相同的副本”。因此，理論上不可能複制以量子态編碼的數據。

量子隐形傳态也是兩方交換光子、原子、電子、超導電路等量子信息的過程。傳送允許 QC 并行工作并使用更少的電力，從而将功耗降低 100 到 1000 倍。

量子隐形傳态與量子密碼學的區别在于：

• 量子隐形傳态通過經典通道交換“量子”信息
• 量子密碼學通過量子通道交換“經典”信息

目前量子隐形傳态面臨的挑戰是：

• 傳送的信息量
• 在傳送之前，發送方和接收方之間共享的量子信息量。
• 發送者應該擁有該對的一個量子位，而接收者應該擁有該對的另一個量子位
• 發送方和接收方量子比特之間的先驗相關強度增加了量子通道的容量
• 作用于量子通道的隐形傳态電路噪聲

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