量子糾纏是量子力學中最為神秘和引人入勝的現象之一。在這一現象中,一組粒子在生成、相互作用或共享空間接近時,這組粒子的量子狀態無法獨立於其他粒子的狀態進行描述,即使這些粒子之間相隔甚遠。這引發了科學界對於量子力學和經典物理學兩者之間的根本差異的重新思考。
測量一對糾纏粒子的某一物理屬性,可以發現它們在某些情況下完美相關。比如,當一對糾纏粒子被生成,其總自旋為零,測量其中一個粒子時如果發現其自旋為順時針,那麼另一個粒子在同一軸上的自旋則必然是逆時針。
1935年,愛因斯坦與他的同事波多爾斯基和羅森提出的EPR悖論揭示了這一現象的深奧之處。在該論文中,他們論證了量子力學無法獨立地描述兩個量子系統,這似乎違反了局部實在論的因果觀念。愛因斯坦因此形容這一現象為"距離上的詭異行動"。
當測量一個粒子的特性時,這樣的測量不僅影響所測量的量子系統,也會瞬間影響糾纏的整個系統,這給人們帶來了困惑的哲學問題。愛因斯坦以及其他物理學家,如尼爾斯·玻爾,在對量子力學的意義展開的持久辯論中,對於這一現象的隨機性表示懷疑,並認為現有的量子力學描述顯然是不完整的。
愛因斯坦曾強烈主張,量子力學的接受需要建立在更為嚴謹的基礎之上。他對於這種看似超越光速的信息傳遞感到不安,並強調,任何形式的信息不能以超光速的形式進行傳遞。
然而,隨著時間的推移,許多實驗證實了量子力學中的糾纏現象。例如,博士生阿蘭·阿斯貝特在1982年的實驗中驗證了貝爾不等式的違背,這顯示出糾纏出現的相關性無法通過局部隱變量進行解釋。糾纏的存在和其所造成的非局部性,提醒我們在觀察量子世界時需要放棄一些經典物理學的直覺。
例如,當我們考慮一個自旋為零的粒子衰變成兩個自旋為1/2的粒子時,其兩者的自旋必須互為反向,因為整體的角動量必須守恆。在這一過程中,測量任何一個粒子的自旋都會影響到另一個粒子的自旋,雖然這兩個粒子可以在空間上相隔很遠。
愛因斯坦和施羅丁格都對完全依賴概率解釋描繪的量子現象感到絕望。他們期望能找到某種“隱變量”來解釋這種措施結果之間的瞬間關聯,卻始終未能如願。
量子糾纏在當今信息科技領域中發揮著越來越重要的作用。隨著量子通訊和量子計算的研究不斷深入,科學家已經探索出多種利用量子糾纏進行安全通訊的方案,包括量子密碼學等領域。
最近的一些發現和實驗成果,包括2022年頒發給三位科學家的諾貝爾物理學獎,進一步強化了我們對量子糾纏現象的理解,並證實了該現象在量子信息科學中的應用潛力。
雖然我們對量子糾纏的理解已經有了長足的進展,然而與此同時,仍有許多未解之謎仍待解釋。我們或許應該思考,量子糾纏與現實之間還存在著哪些我們尚未觸及的邊界呢?