量子糾纏是粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，雖然粒子在空間上可能分開[1]。
糾纏是關(guān)于量子力學(xué)理論最著名的預(yù)測(cè) 。它描述了兩個(gè)粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)距離，一個(gè)粒子的行為將會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài) 。當(dāng)其中一顆被操作(例如量子測(cè)量)而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化 。
尼爾斯·玻爾將量子糾纏稱為"鬼魅似的遠(yuǎn)距作用"(spooky action at a distance) 。但這并不僅僅是個(gè)詭異的預(yù)測(cè)，而是已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中獲得的現(xiàn)象，比如科學(xué)家通過(guò)向兩個(gè)處于室溫的糾纏的小鉆石發(fā)射激光(圖中綠色) ?？茖W(xué)家希望能夠建造量子計(jì)算機(jī)，利用粒子糾纏進(jìn)行超高速計(jì)算 。
在物理學(xué)中，量子糾纏是指存在這樣一些態(tài):一、A,B,C，…，在t< 時(shí)，這些態(tài)之間不存在任何相互作用;二、當(dāng)t>
時(shí)，它們的狀態(tài)由Hilbert空間(希爾伯特空間)HA，HB，HC...，中的矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,…所描述，由A，B，C空間構(gòu)成的量子系統(tǒng)ABC則由Hilbert空間HABC...=.HA ×HB ×HC...中矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C所描述，則這樣的態(tài)被稱為比Hilbert空間的直積態(tài)。否則稱態(tài)| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,.…是糾纏態(tài)。也就是說(shuō)，如果存在糾纏態(tài)，就至少要有兩個(gè)以上的量子態(tài)進(jìn)行疊加。
量子糾纏說(shuō)明在兩個(gè)或兩個(gè)以上的穩(wěn)定粒子間，會(huì)有強(qiáng)的量子關(guān)聯(lián)。例如在雙光子糾纏態(tài)中，向左(或向右)運(yùn)動(dòng)的光子既非左旋，也非右旋，既無(wú)所謂的x偏振，也無(wú)所謂的y偏振，實(shí)際上無(wú)論自旋或其投影，在測(cè)量之前并不存在。在未測(cè)之時(shí)，二粒子態(tài)本來(lái)是不可分割的。
1935年，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森( Einstein, Podolsky and Rosen) 等人提出一種波，其量子態(tài):
其中x1，x2分別代表了兩個(gè)粒子的坐標(biāo)，這樣一個(gè)量子態(tài)的基本特征是在任何表象下，它都不可以寫成兩個(gè)子系統(tǒng)的量子態(tài)的直積的形式:
這樣的量子態(tài)稱為糾纏態(tài)。
從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，量子力學(xué)快速發(fā)展并完善起來(lái)，解決了許多經(jīng)典理論不能解釋的現(xiàn)象，大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)及實(shí)際應(yīng)用也證明了量子力學(xué)是一個(gè)成功的物理理論。但是關(guān)于量子力學(xué)的基本原理的理解卻存在不同的解釋。
眾多的物理學(xué)家在自己觀點(diǎn)的指引下，對(duì)量子力學(xué)的基本解釋提出了自己的看法，主要有三種:傳統(tǒng)解釋、PTV系統(tǒng)解釋和統(tǒng)計(jì)解釋，這三種解釋之間既有區(qū)別又有聯(lián)系。
傳統(tǒng)解釋出發(fā)點(diǎn)是量子假設(shè)，強(qiáng)調(diào)微觀領(lǐng)域內(nèi)每個(gè)原子過(guò)程或基元中存在著本質(zhì)的不連續(xù)，其核心思想是玻爾的互補(bǔ)原理(并協(xié)原理)，還接受了玻恩對(duì)態(tài)函數(shù)的概率解釋，并把這種概率理解為是同一個(gè)粒子在給定時(shí)刻出現(xiàn)在某處的概率密度。PTV系統(tǒng)解釋的代表是玻姆，這種解釋試圖通過(guò)構(gòu)造各種隱變量量子論來(lái)尋找量子力學(xué)的決定論基礎(chǔ)，即為態(tài)函數(shù)的概率解釋建構(gòu)決定論的基石，目的是在微觀物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)恢復(fù)決定論和嚴(yán)格因果性，消除經(jīng)典世界同量子世界的獨(dú)特劃分，回到經(jīng)典物理學(xué)的預(yù)設(shè)概念，建立物理世界的統(tǒng)一說(shuō)明。統(tǒng)計(jì)解釋認(rèn)為態(tài)函數(shù)是對(duì)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的描述，量子理論是關(guān)于系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)理論，這個(gè)系統(tǒng)是由全同地(或相似的)制備的系統(tǒng)組成，不需要一個(gè)預(yù)先確定的動(dòng)力學(xué)變量的集合，是一種最低限度的系統(tǒng)解釋。
上面講到三種觀點(diǎn)之間，是既有聯(lián)系又有區(qū)別，正是由于各方都堅(jiān)持己見，才有了著名的愛(ài)因斯坦與玻爾之間的論戰(zhàn)，量子糾纏才被愛(ài)因斯坦以一個(gè)悖論的疑問(wèn)提出。量子糾纏就此提出。
1927年9月，玻爾在科摩會(huì)議中首度公開地演講他的互補(bǔ)原理，由于他采用了大量的哲學(xué)語(yǔ)言來(lái)闡釋互補(bǔ)原理，使大家感到震驚與困惑。當(dāng)時(shí)大多數(shù)人對(duì)于測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系及互補(bǔ)原理的深刻內(nèi)涵還不大明了。幾個(gè)星期后在布魯塞爾舉行的第五屆solvya會(huì)議，包括玻爾、愛(ài)因斯坦、玻恩、薛定諤、海森堡等世界最著名的科學(xué)家都出席了這項(xiàng)盛會(huì)。玻爾在會(huì)議中重述了他在科摩會(huì)議上的觀點(diǎn)。由于愛(ài)因斯坦并未參加科摩會(huì)議，這還是他首次聽到玻爾親自闡述互補(bǔ)原理和對(duì)量子力學(xué)的詮釋。
1951年，玻姆在《量子理論》中重新表述了EPR思想，用兩個(gè)自旋分量代替原來(lái)的坐標(biāo)和動(dòng)量，為進(jìn)一步研究特別是實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
1952年，玻姆在《物理學(xué)評(píng)論》上連續(xù)發(fā)表兩篇文章，提出了量子力學(xué)的隱變量解釋。玻姆認(rèn)為，在量子世界中粒子仍然是沿著一條精確的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的，只是這條軌跡不僅由通常的力來(lái)決定，而且還受到一種更微妙的量子勢(shì)的影響。量子勢(shì)由波函數(shù)產(chǎn)生，它通過(guò)提供關(guān)于整個(gè)環(huán)境的能動(dòng)信息來(lái)引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)，正是它的存在導(dǎo)致了微觀粒子不同于宏觀物體的奇異的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。玻姆理論最引人注目之處在于它對(duì)測(cè)量的處理。在這一理論中，量子系統(tǒng)的性質(zhì)不只屬于系統(tǒng)本身，它的演化既取決于系統(tǒng)同時(shí)也取決于測(cè)量?jī)x器。因此，關(guān)于隱變量的測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布將隨實(shí)驗(yàn)裝置的不同而不同。正是這個(gè)整體性特征保證了玻姆的隱變量理論與量子力學(xué)(對(duì)于測(cè)量結(jié)果)具有完全相同的預(yù)測(cè)。然而，它也導(dǎo)致了一個(gè)令人極不舒服的結(jié)果。根據(jù)玻姆理論的預(yù)言，盡管它為粒子找回了軌跡，但卻是一條永遠(yuǎn)不可見的軌跡，理論中引入的隱變量-粒子的確定的位置和速度都是原則上不可測(cè)知的。人們永遠(yuǎn)無(wú)法知道粒子實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)它們的測(cè)量將總是產(chǎn)生與量子力學(xué)相一致的結(jié)果。
此外，玻爾理論所假設(shè)的另一物理實(shí)在波函數(shù)同樣是不可探測(cè)的隱變量，因?yàn)閷?duì)單個(gè)粒子的物理測(cè)量一般只產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于粒子性質(zhì)的確定的結(jié)果，而根本測(cè)不到任何平場(chǎng)的性質(zhì)。
多光子糾纏態(tài)的制備和操控一直是量子信息領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。世界上普遍利用晶體中的非線性過(guò)程來(lái)產(chǎn)生多光子糾纏態(tài)，其難度會(huì)隨著光子數(shù)目的增加而指數(shù)增大。
2000年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局在離子阱系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了四離子的糾纏態(tài)。
2004年，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室量子物理與量子信息研究部的研究人員打破了這一紀(jì)錄，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)五光子糾纏的操縱。
2005年底，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局和奧地利因斯布魯克小組分別宣布實(shí)現(xiàn)了六個(gè)和八個(gè)離子的糾纏態(tài)，并且一直保持著這個(gè)紀(jì)錄。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒、黃運(yùn)鋒研究組在郭光燦院士的領(lǐng)導(dǎo)下，成功制備出八光子糾纏態(tài)--GHZ態(tài)，并進(jìn)一步利用產(chǎn)生出的糾纏態(tài)完成了八端口量子通信復(fù)雜性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果超越了以往界限，展示了量子通信抗干擾能力強(qiáng)、傳播速度快的優(yōu)越性。研究工作于2011年11月22日在線發(fā)表在《自然·通訊》上。
量子態(tài)隱形傳輸，是對(duì)古典物理稱為“定域性定律”（locality）的基本原則又一打擊。其定律指出，一個(gè)物體只能被它周圍的環(huán)境直接影響。量子論承認(rèn)“幽靈般的遠(yuǎn)程效應(yīng)”。
物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾1964年首先設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)作為證明“‘幽靈般的遠(yuǎn)程效應(yīng)’真實(shí)存在”的一種方法，因此，研究人員把他們的實(shí)驗(yàn)稱為“沒(méi)有漏洞的貝爾測(cè)試”。
1997年奧地利首次驗(yàn)證
1997年，奧地利塞林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2004年奧地利測(cè)試數(shù)百米級(jí)
2004年，奧地利該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子“超時(shí)空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾，量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以大幅度提高。
2005年中國(guó)科大測(cè)試十公里級(jí)
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、彭承志等研究人員的小組早在2005年就在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發(fā)送的世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。
2007年開始，中國(guó)科大——清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在北京架設(shè)了長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。該成果已經(jīng)發(fā)表在2010年6月1日出版的英國(guó)《自然》雜志子刊《自然·光子學(xué)》上，并引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
2015年荷蘭的1公里級(jí)
2015年10月25日《荷蘭科學(xué)家證實(shí)量子糾纏：物質(zhì)遠(yuǎn)隔萬(wàn)里卻相互作用》報(bào)道：荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家們把兩顆鉆石分別放在代爾夫特理工大學(xué)校園內(nèi)的兩側(cè)，距離1.3公里。每塊兒鉆石含有一個(gè)可以俘獲單個(gè)電子的微小空間，此空間具有一種稱為“自旋”的磁性，然后用微波和激光能的脈沖來(lái)糾纏，并測(cè)量電子的“自旋”。校園的兩側(cè)設(shè)有探測(cè)器，兩個(gè)電子之間的距離確保做測(cè)量的同時(shí)，信息無(wú)法以傳統(tǒng)的方式交換。
由鏈狀糾纏粒子環(huán)繞整個(gè)地球而形成的量子通信網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)能夠安全地共享加密密碼，并且絕對(duì)能夠監(jiān)測(cè)到竊聽的企圖。
統(tǒng)認(rèn)為光速最快，但2015年3月6日新聞稿“中科大實(shí)現(xiàn)量子瞬間傳輸技術(shù)重大突破” 報(bào)道，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉教授主持的量子隱形傳態(tài)研究項(xiàng)目組2013年測(cè)出，量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個(gè)數(shù)量級(jí)。在量子糾纏的幫助下，帶傳輸量子攜帶的量子信息可以被瞬間傳遞并被復(fù)制，因此就相當(dāng)于科幻小說(shuō)中描寫的“超時(shí)空傳輸”，量子在一個(gè)地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方神秘地出現(xiàn)。
這是他團(tuán)隊(duì)的偉大成績(jī)。
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