量子纠缠是量子力学中最为神秘和引人入胜的现象之一。在这一现象中,一组粒子在生成、相互作用或共享空间接近时,这组粒子的量子状态无法独立于其他粒子的状态进行描述,即使这些粒子之间相隔甚远。这引发了科学界对于量子力学和经典物理学两者之间的根本差异的重新思考。
测量一对纠缠粒子的某一物理属性,可以发现它们在某些情况下完美相关。比如,当一对纠缠粒子被生成,其总自旋为零,测量其中一个粒子时如果发现其自旋为顺时针,那么另一个粒子在同一轴上的自旋则必然是逆时针。
1935年,爱因斯坦与他的同事波多尔斯基和罗森提出的EPR悖论揭示了这一现象的深奥之处。在该论文中,他们论证了量子力学无法独立地描述两个量子系统,这似乎违反了局部实在论的因果观念。爱因斯坦因此形容这一现象为"距离上的诡异行动"。
当测量一个粒子的特性时,这样的测量不仅影响所测量的量子系统,也会瞬间影响纠缠的整个系统,这给人们带来了困惑的哲学问题。爱因斯坦以及其他物理学家,如尼尔斯·玻尔,在对量子力学的意义展开的持久辩论中,对于这一现象的随机性表示怀疑,并认为现有的量子力学描述显然是不完整的。
爱因斯坦曾强烈主张,量子力学的接受需要建立在更为严谨的基础之上。他对于这种看似超越光速的信息传递感到不安,并强调,任何形式的信息不能以超光速的形式进行传递。
然而,随着时间的推移,许多实验证实了量子力学中的纠缠现象。例如,博士生阿兰·阿斯贝特在1982年的实验中验证了贝尔不等式的违背,这显示出纠缠出现的相关性无法通过局部隐变量进行解释。纠缠的存在和其所造成的非局部性,提醒我们在观察量子世界时需要放弃一些经典物理学的直觉。
例如,当我们考虑一个自旋为零的粒子衰变成两个自旋为1/2的粒子时,其两者的自旋必须互为反向,因为整体的角动量必须守恒。在这一过程中,测量任何一个粒子的自旋都会影响到另一个粒子的自旋,虽然这两个粒子可以在空间上相隔很远。
爱因斯坦和施罗丁格都对完全依赖概率解释描绘的量子现象感到绝望。他们期望能找到某种“隐变量”来解释这种措施结果之间的瞬间关联,却始终未能如愿。
量子纠缠在当今信息科技领域中发挥着越来越重要的作用。随着量子通讯和量子计算的研究不断深入,科学家已经探索出多种利用量子纠缠进行安全通讯的方案,包括量子密码学等领域。
最近的一些发现和实验成果,包括2022年颁发给三位科学家的诺贝尔物理学奖,进一步强化了我们对量子纠缠现象的理解,并证实了该现象在量子信息科学中的应用潜力。
虽然我们对量子纠缠的理解已经有了长足的进展,然而与此同时,仍有许多未解之谜仍待解释。我们或许应该思考,量子纠缠与现实之间还存在着哪些我们尚未触及的边界呢?