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量子纠缠
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量子纠缠
中文名称：量子纠缠提出者：爱因斯坦、波多尔斯基、罗森塔尔提出时间：1935年应用学科：量子力学

量子纠缠(quantum entanglement)，或称量子缠结，是一种量子力学现象，是1935年由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的一种波，其量子态表达式:其中x1，x2分别代表了两个粒子的坐标，这样一个量子态的基本特征是在任何表象下，它都不可以写成两个子系统的量子态的直积的形式。定义上描述复合系统(具有两个以上的成员系统)之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积(tensor product)。量子纠缠技术是安全的传输信息的加密技术，与超光速传递信息相关。尽管知道这些粒子之间"交流"的速度很快，但我们目前却无法利用这种联系以如此快的速度控制和传递信息。因此爱因斯坦提出的规则，也即任何信息传递的速度都无法超过光速，仍然成立。实际上的纠缠作用并不很远。2016年12月，从中国科学技术大学获悉，潘建伟院士及同事陆朝阳、陈宇翱等近期在量子信息科研领域再获重大突破，他们通过两种不同的方法制备了综合性能最优的纠缠光子源，首次成功实现"十光子纠缠"，再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录。2017年6月15日公布，中国量子科学实验卫星"墨子号"迎来了第一项重大成果，率先成功实现"千公里级"的星地双向量子纠缠分发，打破了此前国际上保持多年的"百公里级"纪录。2018年2月，中国实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态，荣获科技部2017年度中国科学十大进展。^[1]

简介

量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，虽然粒子在空间上可能分开。纠缠是关于量子力学理论最著名的预测[1] 。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态[1] 。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化[1] 。爱因斯坦将量子纠缠称为"鬼魅似的远距作用(神鬼级的远距离相互操作作用)"(spooky action at a distance)[1] 。但这并不仅仅是个诡异的预测，而是已经在实验中获得的现象，比如科学家通过向两个处于室温的纠缠的小钻石发射激光(图中绿色)[1] 。科学家希望能够建造量子计算机，利用粒子纠缠进行超高速计算。在物理学中，量子纠缠是指存在这样一些态:一、A,B,C，…，在t<时，这些态之间不存在任何相互作用;二、当t>时，它们的状态由Hilbert空间(希尔伯特空间)HA，HB，HC...，中的矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,…所描述，由A，B，C空间构成的量子系统ABC则由Hilbert空间HABC...=.HA ×HB ×HC...中矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C所描述，则这样的态被称为比Hilbert空间的直积态。否则称态| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,.…是纠缠态。也就是说，如果存在纠缠态，就至少要有两个以上的量子态进行叠加。量子纠缠说明在两个或两个以上的稳定粒子间，会有强的量子关联。例如在双光子纠缠态中，向左(或向右)运动的光子既非左旋，也非右旋，既无所谓的x偏振，也无所谓的y偏振，实际上无论自旋或其投影，在测量之前并不存在。在未测之时，二粒子态本来是不可分割的。

现象解释

量子纠缠所代表的在量子世界中的普遍量子关联则成为组成世界的基本的关联关系。或许用纠缠的观点来解释"夸克禁闭"之谜。当一个质子处于基态附近的状态时，它的各种性质可以相当满意地用三个价夸克的结构来说明。但是实验上至今不能分离出电荷为2e/3的u夸克或(-e/3)的d夸克，这是由于夸克之间存在着极强的量子关联，后者是如此之强，以至于夸克不能再作为普通意义下的结构性粒子。通常所说的结构粒子a和b组成一个复合粒子c时的结合能远小于a和b的静能之和，a或b的自由态与束缚态的差别是不大的。而核子内的夸克在"取出"的过程中大变而特变，人们看到的只能是整数电荷的介子等强子。同一个质子，在不同的过程中有不同的表现，在理解它时需要考虑不同的组分和不同的动力学。一个质子在本质上是一个无限的客体。实质上整个宇宙是一个整体的能量惯性体系包括实在的粒子和空间，由于能量惯性的存在，整个能量体系时刻按一定的能量运动规律运动，宇宙中的每一个粒子作为宇宙能量的一分子它本身的能量惯性状态始终与宇宙环境保持一致即能量的稳定性，它们的电磁能量波始终存在着相互作用。当俩物质粒子同时处于某一状态即尽量使之处于基态或能量控制编码态，它们在相互作用时产生了电磁能量惯性互动及量子纠缠现象。因此，物质具有能量然而人们只能从物质的相互作用中获得并得到利用。

公式表达

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森( Einstein, Podolsky and Rosen) 等人提出一种波，其量子态:其中x1，x2分别代表了两个粒子的坐标，这样一个量子态的基本特征是在任何表象下，它都不可以写成两个子系统的量子态的直积的形式。这样的量子态称为纠缠态。

量子描述

所谓的纠缠度是指所研究的纠缠态携带纠缠的量的多少。对纠缠度的描述，实质上是对不同纠缠态之间建立定量的可比关系。纠缠状态所纠缠的粒子数量越多，对经典物理学的偏离越明显，获得有用量子效应的机会就越大。所以，在量子信息领域中，纠缠通常被看作是非局域的"信息源"。于是，如何对纠缠定量化就显得十分重要。但对于两体纯态而言，它仍是两体纯态唯一合理的纠缠度定义。对于多体纠缠度的描述的研究到目前为止仍没有得到真正的解决，人们仍未放弃寻找一种物理意义上更为鲜明、简单、易于求解的纠缠度的描述。

量子特点

量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态，而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上，纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于"猫态"的论文中。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义，已在一些前沿领域中得到应用，特别是在量子信息方面(例如，量子远程通信)。我国科学家潘建伟已经成功的制备了8粒子最大纠缠态。

理论发展

理论产生

从19世纪末到20世纪初，量子力学快速发展并完善起来，解决了许多经典理论不能解释的现象，大量的实验事实及实际应用也证明了量子力学是一个成功的物理理论。但是关于量子力学的基本原理的理解却存在不同的解释。众多的物理学家在自己观点的指引下，对量子力学的基本解释提出了自己的看法，主要有三种:传统解释、PTV系统解释和统计解释，这三种解释之间既有区别又有联系。传统解释出发点是量子假设，强调微观领域内每个原子过程或基元中存在着本质的不连续，其核心思想是玻尔的互补原理(并协原理)，还接受了玻恩对态函数的概率解释，并把这种概率理解为是同一个粒子在给定时刻出现在某处的概率密度。PTV系统解释的代表是玻姆，这种解释试图通过构造各种隐变量量子论来寻找量子力学的决定论基础，即为态函数的概率解释建构决定论的基石，目的是在微观物理学领域内恢复决定论和严格因果性，消除经典世界同量子世界的独特划分，回到经典物理学的预设概念，建立物理世界的统一说明。统计解释认为态函数是对统计系统的描述，量子理论是关于系统的统计理论，这个系统是由全同地(或相似的)制备的系统组成，不需要一个预先确定的动力学变量的集合，是一种最低限度的系统解释。上面讲到三种观点之间，是既有联系又有区别，正是由于各方都坚持己见，才有了著名的爱因斯坦与玻尔之间的论战。(爱因斯坦说:"上帝不掷骰子。"玻尔说:"亲爱的爱因斯坦不要指挥上帝做什么。")量子纠缠才被爱因斯坦以一个悖论的疑问提出。量子纠缠就此提出。1927年9月，玻尔在科摩会议中首度公开地演讲他的互补原理，由于他采用了大量的哲学语言来阐释互补原理，使大家感到震惊与困惑。当时大多数人对于测不准关系及互补原理的深刻内涵还不大明了。几个星期后在布鲁塞尔举行的第五届solvya会议，包括玻尔、爱因斯坦、玻恩、薛定谔、海森堡等世界最著名的科学家都出席了这项盛会。玻尔在会议中重述了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦并未参加科摩会议，因为目前地球上面能干扰量子纠缠的环境基本没有，他出席了也没有任何的证明量子学还是在他的知识理论下。但他知道，量子纠缠在黑洞，及更小的等级时绝对会干扰量子纠缠，这还是他首次听到玻尔亲自阐述互补原理和对量子力学的诠释。

理论完善

1951年，玻姆在《量子理论》中重新表述了EPR思想，用两个自旋分量代替原来的坐标和动量，为进一步研究特别是实验检验奠定了基础。1952年，玻姆在《物理学评论》上连续发表两篇文章，提出了量子力学的隐变量解释。玻姆认为，在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的，只是这条轨迹不仅由通常的力来决定，而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动，正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。玻姆理论最引人注目之处在于它对测量的处理。在这一理论中，量子系统的性质不只属于系统本身，它的演化既取决于系统同时也取决于测量仪器。因此，关于隐变量的测量结果的统计分布将随实验装置的不同而不同。正是这个整体性特征保证了玻姆的隐变量理论与量子力学(对于测量结果)具有完全相同的预测。然而，它也导致了一个令人极不舒服的结果。根据玻姆理论的预言，尽管它为粒子找回了轨迹，但却是一条永远不可见的轨迹，理论中引入的隐变量-粒子的确定的位置和速度都是原则上不可测知的。人们永远无法知道粒子实际的运动轨迹，对它们的测量将总是产生与量子力学相一致的结果。此外，玻尔理论所假设的另一物理实在波函数同样是不可探测的隐变量，因为对单个粒子的物理测量一般只产生一个关于粒子性质的确定的结果，而根本测不到任何平场的性质。

纠缠态制备

多光子纠缠态的制备和操控一直是量子信息领域的研究重点。世界上普遍利用晶体中的非线性过程来产生多光子纠缠态，其难度会随着光子数目的增加而指数增大。2000年，美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态。2004年，合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员打破了这一纪录，在国际上首次成功实现五光子纠缠的操纵。2005年底，美国国家标准局和奥地利因斯布鲁克小组分别宣布实现了六个和八个离子的纠缠态，并且一直保持着这个纪录。中科院量子信息重点实验室李传锋、黄运锋研究组在郭光灿院士的领导下，成功制备出八光子纠缠态--GHZ态，并进一步利用产生出的纠缠态完成了八端口量子通信复杂性实验。实验结果超越了以往界限，展示了量子通信抗干扰能力强、传播速度快的优越性。研究工作于2011年11月22日在线发表在《自然·通讯》上。

应用领域

纠缠态作为一种物理资源，在量子信息的各方面，如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用。然而，受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响，制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态:另一方面，纯纠缠态受环境的消相干作用也会退化成为混合态。使用这种混合纠缠态进行量子通信和量子计算将会导致信息失真。为达到更好的量子通信或量子计算效果，需要通过纠缠纯化技术将混合纠缠态纯化成纯纠缠态或者接近纯纠缠态。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子信息研究中的重要课题。常见量子纠缠态应用，例如:量子通讯应用于量子态隐形传输;量子计算应用于量子计算机，量子计算在实现技术上有严重的挑战,实现这一问题要解决另外三个问题--量子算法、量子编码、实现量子计算的物理体系，量子保密通讯也广泛应用于量子密码术中。

量子互联网

由链状纠缠粒子环绕整个地球而形成的量子通信网络。这种网络能够安全地共享加密密码，并且绝对能够监测到窃听的企图。