2022年诺贝尔物理学奖颁给了三位利用纠缠量子态进行实验的科学家。这神奇的量子纠缠到底是什么？
“遇事不决，量子力学，脑洞不够，平行宇宙！”虽然这只是网友调侃的段子，但是在神奇的量子力学中，确实有很多反常识的存在。因此也被人冠上“玄学”的称号。量子力学中的量子纠缠，更是被众多学者研究的重点。
关于量子纠缠的起点，要从上世纪初开始
1905年，年仅26岁的爱因斯坦通过四篇具有划时代意义的论文一下子登顶物理学顶峰，而这一年也被称为爱因斯坦奇迹年。
功成名就的爱因斯坦在物理学上具有举足轻重的话语权，可就是如此德高望重之辈，竟然先后两次败给了玻尔。但爱因斯坦又怎是一个轻易认输的人？希特勒上台后，爱因斯坦远离家乡，即便如此，他仍未放弃研究物理。
1935年，身在新泽西的爱因斯坦和两位年轻的同事罗森、波多尔斯基共同发表了一篇论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》，来挑战玻尔的量子论。
EPR思想实验
这篇论文详细描述了一项假设：一个大粒子衰变为A、B两个小粒子，分别向两个相反的方向飞去。根据玻尔的理论，在我们没有观察它们之前，这两个小粒子都处在叠加态，即自旋状态不确定。
当我们观察其中一个小粒子A，它的状态在被观察的那一刹那“坍缩”成了确定的形态，与此同时，另一个小粒子B的状态也就确定了。
但如果我们一开始不观察它们，而是等它们飞离了几万光年之后再去观察A，与此同时，几万年之外的小粒子B的状态也就从叠加态“坍缩”成了确定的形态。那么是不是说，由A、B两个粒子组成的系统就会产生超过光速的信息传播？这与相对论中任何速度都不能超越光速相互矛盾。
借此，爱因斯坦凭借这篇仅有四页纸的论文，挥剑直指玻尔，亮出了一记漂亮的反杀。而这项思想实验以三位作者的名字命名“Einstein-Podolsky-Rosen paradox佯谬”，简称为EPR佯谬。爱因斯坦也称之为“幽灵般的超距作用”。
在此之后的一段时间，大家都认为是爱因斯坦赢了。而且，随着二战局势的紧张，大批顶级物理学家被派往研究一项实用物理——原子弹的研发。理论物理的研究似乎慢了下来。
贝尔不等式
然而，即便再慢，物理学也从未停下脚步。时间来到了1964年，爱尔兰物理学家约翰·贝尔用一套简单的纠缠系统拓展了EPR实验，将量子纠缠的理论带入到实验验证的层面。贝尔推到出了一套公式，并提出推算出，如果实验结果符合这套公式，就可证明爱因斯坦是对的。而如果实验结果证明公式错误，则可判定，当初爱因斯坦的推论也是错的。这就是大名鼎鼎的“贝尔不等式”。
原本是为了证实偶像的正确性，顺带给自己脸上贴贴金。没想到现实确实啪啪打脸。
三位诺奖得主
1978年，约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser)对贝尔不等式进行了实验，并证明其不成立！
1982年，法国的阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)在实验中首次验证了量子纠缠，同样证伪了贝尔不等式。
1998年，安东·塞林格(Anton Zeilinger)通过多粒子纠缠态的实验，决定性的验证了量子纠缠的真实存在。
而以上三位科学家 “用纠缠量子（光子）进行的实验，证伪了贝尔不等式，并为量子信息科学铺平了道路”。因此获得了2022年诺贝尔物理学奖。
他们三人获得了世界顶级的殊荣，并共享一千万瑞士克朗（约650万人民币）的奖金。不过，对于他们而言，更伟大的意义在于“为基于量子信息的技术扫清了道路。”
量子纠缠被证实
实验结果出来了，爱因斯坦曾言的“幽灵般的超距作用”真实存在。这一点虽然匪夷所思，但却被实验验证。打个不恰当的比方：一名男宇航员被派往遥远的冥王星执行任务，在地球上的妻子为他生下了一个孩子。在孩子出生的一刹那，这名宇航员就成为了一名父亲。这种信息甚至不需要被传播，在地球上就可得以确认。
2017年6月16日，我国的量子实验卫星墨子号更是实现了超过1200公里距离的纠缠态光子实验，更是将这一实验理论大大加强！
虽然此时的爱因斯坦、玻尔等一众大神早已仙逝，但量子力学的进步却给人类带来了更多的可能。
当人们确认量子纠缠的存在后，又开始深入研究，试图控制量子纠缠，借此探究微观世界、实现远距离通信、量子计算。
量子通信
在刘慈欣的名著《三体》中，三体人就是利用量子纠缠的原理，把处在纠缠态的质子一颗送往地球，一颗留在三体星球，进而实现了两地的瞬时沟通。但这毕竟只是科幻小说的情节。现实世界中，人类还无法实现这一技术。目前研究的量子通信，主要是指信息加密与解密的手段。用量子纠缠的特性提升信息安全水平，而非超距信息传输。
量子计算
量子纠缠还被应用于量子计算之中。由于量子叠加状态的存在，量子计算可以实现远超过传统计算机的计算速度。在传统计算机中，每个存储单元可以存储“0”或者“1”两者之一。而在量子叠加态，“0”和“1”两种状态可以同时存在，就像大名鼎鼎的“薛定谔的猫”一样“既生又死”。如果是n个存储器同时工作，它就可以存储2的n次方个状态，存储能力呈指数级上升。
而在量子计算机中，存储器的数据可以同时进行操作，即相当于运算速度比传统计算机提升了2的n次方倍。随着n的增大，运算速度会以恐怖的速度倍增！当n为250时，即便是小到原子结构，2的250次方也已超过宇宙中所有原子数目之和！
当介绍到这里，一定会有某些读者朋友担心了。目前通用的密码原理，是先随机生成两个很大的质数p和q，然后根据设定生成秘钥e。以现有的计算量来算，想要破解这个密码，需要消耗巨大的算力。在传统计算机世界中，动用超过全球半数的算力，去破解一个六位数的密码，而去窃取其中不足三位数的余额，是得不偿失的。因此，我们那微不足道的余额在银行账户中还算安全的。
但如果拥有超级算力的量子计算机出现，可能不消几分钟就能破解密码。那我们的存款还安全吗？
其实，我们大可不必担心。目前世界上现有的量子计算机还仅能实现部分特定的功能，想要达到商用、甚至民用级别，还有很长的一段路要走。即便有一天，量子计算机已经普及到民用级别了。那我们的密码肯定也早就升级为量子保密级别了，根本不用担心。毕竟，矛和盾总要相伴成长，才能不断进步。
量子理论已经发展百年，但量子技术的应用尚在起步阶段。我们普通人能够接触到的毕竟有限，在一些地方宣传的量子水杯、量子袜子，甚至量子阅读，都是赤裸裸地收智商税。大家千万不要上当受骗！
量子纠缠是一种非常反常识的现象，但是在一代代科学家的努力下，人们不但证实了它的存在，还在利用量子纠缠为人类服务。相信随着量子力学的不断前进，量子技术会给人类打开更加瑰丽的未来世界。
作者：方骥 校稿：川川
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