通俗地解讀量子糾纏現(xiàn)象，這種幽靈般的超距作用如何產(chǎn)生的？

量子糾纏很不同卻也難以理解，不過也有方法可以讓它很容易被理解。

加拿大多倫多大學(xué)的艾瑪爾（Amar Vutha）的解釋如下：

圖解：糾纏是粒子性質(zhì)間的一種“量子糾正”。（示意圖如上）

量子計(jì)算機(jī)、量子密碼學(xué)和與量子相關(guān)的東西都經(jīng)常在新聞中被報(bào)道。關(guān)于他們的文章不可避免的都會(huì)提到糾纏，量子物理學(xué)的性質(zhì)使得這些神奇的裝置成為現(xiàn)實(shí)。

愛因斯坦將糾纏稱為“幽靈般的超距作用”，這個(gè)名字逐漸被人們了解認(rèn)識(shí)。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建造量子計(jì)算機(jī)、在其他方面理解和利用糾纏也是非常有用的。

舉個(gè)例子，它可以用來測(cè)量引力波得到更精確的數(shù)據(jù)，是我們更好理解特殊材料的性質(zhì)。它在其他領(lǐng)域也可以更準(zhǔn)確的揭露：我一直研究粒子是怎么彼此碰撞形成糾纏，想理解它是如何影響原子鐘的精確程度。

但是什么是糾纏？有什么方式可以理解這種“幽靈”現(xiàn)象？我將嘗試通過組合兩個(gè)來自物理學(xué)的概念來解釋它：守恒定律和量子疊加。

守恒定律

守恒定律是所有物理學(xué)中最普遍最重要的概念。能量守恒定律是說一個(gè)封閉（孤立）系統(tǒng)的總能量保持不變（它可以轉(zhuǎn)換成電能、機(jī)械能或者熱能等其他能量）。這個(gè)定律是我們所有機(jī)器運(yùn)作的基礎(chǔ)，不論他們是蒸汽機(jī)還是電車。守恒定律像是一種會(huì)計(jì)賬戶：你能改變周圍少量的能量，但是總量必須保持一致。

動(dòng)量守恒（動(dòng)量是質(zhì)量乘以速度）可以解釋兩個(gè)不同體重的滑冰運(yùn)動(dòng)員互相推開彼此，兩人中體重輕的那個(gè)人可以滑的更快更遠(yuǎn)。這條定律也解釋了那個(gè)著名的格言：對(duì)于每一個(gè)力都有一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力。（再一次拿滑冰運(yùn)動(dòng)員舉例）角動(dòng)能守恒則解釋了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的滑冰運(yùn)動(dòng)員可以通過抓住她的手臂讓自己更快的接近她。

法國的花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員加布里埃拉·帕帕達(dá)吉斯（Gabriella Papadakis）和吉約姆·西澤龍（Guillaume Cizeron）2019年在白俄羅斯舉行的歐洲花樣滑冰錦標(biāo)賽證明了守恒定律的影響（如上圖）

這些守恒定律已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了在宇宙中的大范圍里他們都是起作用的,這個(gè)大范圍從遙遠(yuǎn)星系里的黑洞一直到最小的旋轉(zhuǎn)電子。

與量子有關(guān)的補(bǔ)充

想象你自己在森林中有一個(gè)美好的徒步旅行。你在小路上遇到岔路，不過你無法決定到底走左邊還是右邊。通往左邊的小路漆黑但盡頭有美景；通往右邊的小路陽光明媚但路途崎嶇。你最后決定走右邊，但仍心心念念左邊那條路。在量子世界中，你兩條路都可以選擇。

對(duì)于量子力學(xué)系統(tǒng)（其中所有的東西都是完全與高溫和外部擾動(dòng)分離），里面的規(guī)則更是有趣。像是抽陀螺，舉個(gè)例子，一個(gè)原子可以保持順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，亦或者保持逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。盡管和抽陀螺不像，它仍然可以保持[順時(shí)針旋轉(zhuǎn)]+[逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)]的狀態(tài)。

量子系統(tǒng)可以加到一起也可以減去。從數(shù)學(xué)角度說，組合量子態(tài)的規(guī)則同樣可以被描述成向量的加減規(guī)則。對(duì)于這樣一個(gè)量子態(tài)組合，這個(gè)世界是疊加重合的。在奇怪的量子效應(yīng)背后你可能聽說過雙縫實(shí)驗(yàn)或者波粒二象性。

你決定迫使一個(gè)有[順時(shí)針旋轉(zhuǎn)]+[逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)]疊加態(tài)的電子去得到一個(gè)準(zhǔn)確答案。然后自由旋轉(zhuǎn)的電子要么[順時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)]停止，要么[逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)]停止。兩種結(jié)果的幾率是很容易計(jì)算的（在手邊有一本好的物理書）。如果你的世界觀要求這個(gè)宇宙完全按照預(yù)測(cè)的方式運(yùn)行，那這個(gè)過程內(nèi)在的隨機(jī)性會(huì)讓你困擾。不過……這就是人生（實(shí)驗(yàn)測(cè)試）

守恒定律和量子力學(xué)

現(xiàn)在我們把這兩個(gè)組合在一起，并將能量守恒定律應(yīng)用到一對(duì)量子粒子中。

想象一對(duì)量子粒子（原子）從總數(shù)為100單位能量開始。你和你的朋友分開這一對(duì)粒子，各帶一個(gè)。你發(fā)現(xiàn)你有40單位的能量。通過能量守恒定律，你推斷你的朋友一定有60單位的能量。你一知道你自己的原子能量，一定也就知道你朋友的原子能量。即使你朋友一點(diǎn)信息也不告訴你，你也會(huì)知道。即使在你測(cè)量原子能量的同時(shí)你的朋友在星系的另一邊，你也還是會(huì)知道。關(guān)于它們沒什么可怕的（一旦你認(rèn)識(shí)到這僅僅是相關(guān)關(guān)系而不是因果關(guān)系）。

但是這一對(duì)原子的量子狀態(tài)可能更有意思。這對(duì)原子的能量可以被劃分成許多種可能的方式（當(dāng)然，也符合能量守恒定律。）這對(duì)原子的組合狀態(tài)是一個(gè)疊加重合，舉個(gè)例子：[你的原子：60單位；你朋友的原子：40單位]+[你的原子：70單位；你朋友的原子：30單位]。

這是兩個(gè)原子的糾纏態(tài)。既不是你的原子，也不是你朋友的原子，在這個(gè)疊加態(tài)上能量的明確的。然而，由于能量守恒定律這兩個(gè)原子的性質(zhì)是有關(guān)聯(lián)的：他們的能量合計(jì)總是等于100單位。

舉個(gè)例子，你測(cè)量原子發(fā)現(xiàn)它有70單位的能量，你可以確定你朋友的原子有30單位的能量。即使你朋友不告訴你任何信息，你也會(huì)知道。多虧了能量守恒定律，即使你朋友在星系的另一邊你也會(huì)知道你朋友的原子能量。