世界的本質(zhì)似乎總在隱藏著無窮的奧秘，那些尚未被解鎖的真相，構(gòu)成了人類認(rèn)知邊界上的一道道謎題。而遺憾，往往伴隨著探索的腳步而生 —— 我們或許會為錯過某顆星辰的軌跡而惋惜，為未能洞悉某種自然現(xiàn)象的本質(zhì)而困惑，但真正的智慧，在于懂得在探索中享受發(fā)現(xiàn)的幸福，而非被遺憾束縛前行的腳步。

在當(dāng)代科學(xué)界，量子糾纏無疑是最令人著迷的 “奇妙存在”：它既展現(xiàn)了微觀世界顛覆常識的詭異法則，成為科學(xué)家眼中最美妙的研究對象；又因本質(zhì)未明，成為目前物理學(xué)界最大的遺憾之一。倘若有一天人類能徹底破解量子糾纏的核心機制，那必將是一場重塑人類認(rèn)知宇宙方式的革命。

要理解量子糾纏，我們首先需要打破宏觀世界帶給我們的固有認(rèn)知。在日常生活中，我們習(xí)慣了 “個體獨立存在” 的邏輯：一本書、一張桌子、一個人，每個物體都有明確的自身屬性，即便與其他物體產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，也不會失去自身的獨立性。但在量子世界里，這種邏輯完全失效，量子糾纏正是這種 “失效” 的極致體現(xiàn)。

簡單來說，量子糾纏指的是：當(dāng)兩個或多個微觀粒子發(fā)生特定的相互作用后，它們的個體屬性會徹底消失，轉(zhuǎn)化為一個不可分割的整體屬性。此時，我們無法再單獨描述其中任何一個粒子的狀態(tài)，只能對這個整體系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一描述。這種 “個體消融于整體” 的現(xiàn)象，是量子世界獨有的特性，在經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)治的宏觀世界中，找不到任何完全對應(yīng)的類比。

為了讓大家初步理解這一概念，我們可以做一個不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)蜗蟮谋扔鳎合胂笥袃蓚€完全相同的 “量子積木”，在沒有發(fā)生糾纏時，每個積木都有自己的顏色、形狀等獨立屬性；當(dāng)它們發(fā)生糾纏后，這兩個積木就仿佛融合成了一個 “組合體”，我們只能描述這個組合體的整體特征（比如 “一個由兩個積木構(gòu)成的紅色對稱結(jié)構(gòu)”），而無法再單獨說 “左邊的積木是紅色，右邊的積木是藍(lán)色”—— 因為個體屬性已經(jīng)被整體屬性所覆蓋。當(dāng)然，這個比喻忽略了量子糾纏的隨機性和非定域性等關(guān)鍵特征，真正的量子糾纏遠(yuǎn)比這復(fù)雜，但它能幫助我們建立一個核心認(rèn)知：糾纏后的量子系統(tǒng)，是一個不可分割的整體。

更科學(xué)的例子的是粒子自旋的糾纏現(xiàn)象。我們知道，微觀粒子都存在一種名為 “自旋” 的內(nèi)稟屬性，這種屬性并不是指粒子在像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，而是一種量子力學(xué)特有的物理量，其取值是離散的（比如電子的自旋只有兩種可能：上旋或下旋）。假設(shè)有一個自旋為零的基本粒子，在特定條件下發(fā)生衰變，分裂成兩個新的粒子 A 和粒子 B。根據(jù)量子力學(xué)的守恒定律，這兩個粒子的自旋之和必須為零，也就是說，如果粒子 A 是上旋，粒子 B 就必須是下旋；反之，如果粒子 A 是下旋，粒子 B 就必須是上旋。

這看似簡單的守恒關(guān)系，卻蘊含著量子糾纏最詭異的核心：當(dāng)這兩個粒子被分開后，無論相距多遠(yuǎn) —— 哪怕一個在地球的北極，一個在宇宙邊緣的星系，只要我們沒有對它們進(jìn)行測量，它們的自旋狀態(tài)就處于一種 “疊加態(tài)” 中，既不是確定的上旋，也不是確定的下旋，而是兩種狀態(tài)的概率疊加。但當(dāng)我們對粒子 A 進(jìn)行測量，確定其自旋為上旋的瞬間，遠(yuǎn)在宇宙另一端的粒子 B 會立刻 “感知” 到這一測量行為，瞬間坍縮為下旋狀態(tài)；同理，如果測量到粒子 A 是下旋，粒子 B 會瞬間變?yōu)樯闲?/p>

最令人震驚的是，這種 “瞬間響應(yīng)” 是完全超距的，科學(xué)家們至今沒有發(fā)現(xiàn)任何可以傳遞信息的介質(zhì)在兩個粒子之間流動，整個過程仿佛是 “心靈感應(yīng)” 一般，在瞬間完成。更神奇的是，一旦測量完成，兩個粒子的糾纏狀態(tài)就會立刻解除，它們會恢復(fù)為獨立的個體，再也不會對彼此的狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，就像一對曾經(jīng)心意相通的摯友，突然變成了毫無關(guān)聯(lián)的陌生人。

這里需要特別強調(diào)的是，量子糾纏是量子系統(tǒng)的專屬現(xiàn)象，在經(jīng)典力學(xué)中絕對不存在。

有人可能會質(zhì)疑：“如果我有一副手套，一只放在北京，一只放在上海，我打開北京的盒子發(fā)現(xiàn)是左手套，立刻就知道上海的是右手套，這難道不是和量子糾纏一樣嗎？” 但這兩者有著本質(zhì)的區(qū)別：手套在被分開時，其 “左手” 或 “右手” 的屬性是已經(jīng)確定的，只是我們暫時不知道而已，測量行為并沒有改變手套的屬性；而量子糾纏中的粒子，在測量之前并沒有確定的狀態(tài)，是測量行為本身導(dǎo)致了粒子狀態(tài)的坍縮 —— 這正是量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)最核心的分歧之一。

通過對量子糾纏定義的深入理解，我們可以總結(jié)出它的三個核心特點，這些特點每一個都挑戰(zhàn)著人類的常識認(rèn)知，卻被無數(shù)實驗反復(fù)證實是客觀存在的。

量子糾纏的第一個顯著特點是：它只在微觀粒子組成的量子系統(tǒng)中發(fā)生，我們目前無法在宏觀世界中觀測到明顯的量子糾纏現(xiàn)象。這是因為宏觀物體的質(zhì)量太大，由無數(shù)個微觀粒子組成，這些粒子之間會發(fā)生復(fù)雜的相互作用，同時還會受到外界環(huán)境的強烈干擾（比如溫度、引力、電磁輻射等），導(dǎo)致量子糾纏狀態(tài)無法穩(wěn)定存在，會在極短的時間內(nèi) “退相干”，也就是從量子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典態(tài)。

不過，這并不意味著宏觀世界絕對不存在量子糾纏，只是這種糾纏效應(yīng)極其微弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前人類的觀測能力?？茖W(xué)家們一直在嘗試尋找宏觀物體的量子糾纏現(xiàn)象，比如 2018 年，美國加州理工學(xué)院的研究團隊曾在實驗中讓兩個直徑為 15 微米的鋁制鼓膜發(fā)生了量子糾纏，這是人類首次在肉眼可見的宏觀物體中觀測到量子糾纏的跡象，但這種糾纏狀態(tài)只能在接近絕對零度（-273.15℃）的極端環(huán)境下維持極短的時間，一旦環(huán)境溫度升高，糾纏狀態(tài)就會立刻消失。

這也解釋了為什么我們在日常生活中感受不到量子糾纏：宏觀物體的量子糾纏效應(yīng)太弱、太不穩(wěn)定，早已被經(jīng)典物理的規(guī)律所掩蓋。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來我們或許能找到更好的方法來屏蔽外界干擾，讓宏觀物體的量子糾纏狀態(tài)穩(wěn)定存在，到那時，我們對世界的認(rèn)知可能會發(fā)生全新的改變。

量子糾纏的第二個核心特點是其極強的整體性：一旦粒子發(fā)生糾纏，它們就會形成一個不可分割的整體系統(tǒng)，單個粒子的獨立意義會完全喪失。在量子力學(xué)中，我們用 “波函數(shù)” 來描述量子系統(tǒng)的狀態(tài)，對于糾纏中的粒子系統(tǒng)，我們只能用一個統(tǒng)一的波函數(shù)來描述，而無法用單個粒子的波函數(shù)分別描述。

這就意味著，糾纏系統(tǒng)中的任何一個粒子都不能被孤立看待，它的狀態(tài)始終與系統(tǒng)中其他粒子的狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)不受空間距離的影響。就像一個完整的生命體，心臟、肝臟、大腦等器官都是這個生命體的一部分，我們無法單獨說 “心臟是一個獨立的生命”，因為它的功能只有在整個生命體中才能體現(xiàn) —— 量子糾纏系統(tǒng)中的粒子，正是處于這樣一種 “共生” 狀態(tài)。

這種整體性也導(dǎo)致了一個有趣的結(jié)論：在量子糾纏中，“個體” 是一個沒有意義的概念。我們不能問 “粒子 A 在沒有被測量時的自旋狀態(tài)是什么”，因為粒子 A 本身就沒有獨立的自旋狀態(tài)，它的狀態(tài)只有在與粒子 B 組成的整體系統(tǒng)中才能被定義。這與經(jīng)典物理中 “個體可以獨立存在并擁有自身屬性” 的認(rèn)知形成了鮮明對比，也正是量子力學(xué)被認(rèn)為 “詭異” 的重要原因之一。

量子糾纏的第三個特點是其超距關(guān)聯(lián)性與環(huán)境敏感性的矛盾統(tǒng)一：理論上，糾纏中的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能保持這種關(guān)聯(lián)；但在現(xiàn)實中，任何微小的外界干擾都可能破壞這種關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致糾纏狀態(tài)中止。

從理論上講，量子糾纏的關(guān)聯(lián)作用是超距的，不受空間距離的限制。這意味著，即使兩個粒子分別位于宇宙的兩端，它們之間的糾纏關(guān)聯(lián)依然存在，測量其中一個粒子的狀態(tài)，另一個粒子會立刻做出響應(yīng)。這種超距關(guān)聯(lián)看似違反了愛因斯坦相對論中 “信息傳遞速度不能超過光速” 的限制，但實際上，量子糾纏并沒有傳遞任何有用的信息 —— 當(dāng)我們測量粒子 A 得到上旋狀態(tài)時，我們只能確定粒子 B 是下旋狀態(tài)，但這只是一種邏輯上的推導(dǎo)，并沒有任何新的信息從粒子 A 傳遞到粒子 B。就像我們知道 “如果今天是星期一，那么明天一定是星期二”，這種邏輯關(guān)聯(lián)并不需要信息傳遞，量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)本質(zhì)上也是一種邏輯關(guān)聯(lián)，因此并沒有違反相對論。

但在現(xiàn)實中，要維持量子糾纏狀態(tài)卻極其困難，因為量子系統(tǒng)對環(huán)境干擾有著極強的敏感性。任何形式的外界干擾 —— 比如溫度的微小波動、電磁場的干擾、甚至是空氣中分子的碰撞 —— 都會導(dǎo)致量子系統(tǒng)的波函數(shù)坍縮，讓糾纏狀態(tài)瞬間解除。這也是為什么科學(xué)家們在進(jìn)行量子糾纏實驗時，必須創(chuàng)造極其苛刻的實驗環(huán)境：比如在接近絕對零度的低溫環(huán)境中進(jìn)行，以減少分子熱運動的干擾；使用高真空設(shè)備，避免空氣分子的碰撞；采用高精度的屏蔽裝置，隔絕外界電磁場的影響。

即便如此，現(xiàn)實中量子糾纏的距離依然受到很大限制。早期的量子糾纏實驗，糾纏距離只有幾厘米；隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們逐漸將這個距離擴大到幾十公里、幾百公里，甚至上千公里，但這已經(jīng)是目前技術(shù)所能達(dá)到的極限。要實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子糾纏，不僅需要解決環(huán)境干擾的問題，還需要克服粒子傳輸過程中的損耗問題 —— 這些都是目前科學(xué)界面臨的巨大挑戰(zhàn)。

量子糾纏的發(fā)現(xiàn)與研究，是一段充滿爭議、質(zhì)疑與突破的百年歷程。它最初被認(rèn)為是量子力學(xué)的 “漏洞”，甚至被愛因斯坦用來質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性；而如今，它已經(jīng)成為量子力學(xué)中最核心、最被廣泛證實的現(xiàn)象之一，推動著量子通信、量子計算等前沿技術(shù)的發(fā)展。

量子糾纏的概念最早可以追溯到 1935 年，當(dāng)時愛因斯坦、波多爾斯基和羅森三位科學(xué)家合作發(fā)表了一篇題為《論量子力學(xué)的不完備性》的論文，在這篇論文中，他們提出了著名的 “EPR 悖論”（EPR 是三位科學(xué)家名字的首字母縮寫），用量子糾纏現(xiàn)象對量子力學(xué)的完備性提出了質(zhì)疑。

愛因斯坦等人認(rèn)為，量子力學(xué)中描述的量子糾纏現(xiàn)象是不合理的。根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，糾纏中的粒子在測量之前沒有確定的狀態(tài)，測量行為會導(dǎo)致粒子狀態(tài)的瞬間坍縮，而這種坍縮是超距的 —— 這在愛因斯坦看來，是一種 “鬼魅般的超距作用”，違反了相對論中 “定域性” 的原則（即任何物理作用都不能超過光速）。

為了反駁量子力學(xué)的這種 “詭異” 詮釋，愛因斯坦等人提出了 “隱變量理論”。他們認(rèn)為，量子力學(xué)之所以看起來不完備，是因為存在一些尚未被發(fā)現(xiàn)的 “隱變量”—— 這些隱變量在粒子發(fā)生糾纏時就已經(jīng)確定了它們的狀態(tài)，測量行為只是讓這些隱變量的數(shù)值顯現(xiàn)出來，而不是導(dǎo)致粒子狀態(tài)的坍縮。換句話說，愛因斯坦等人認(rèn)為，量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)只是一種表面現(xiàn)象，其背后存在著某種遵循經(jīng)典物理規(guī)律的隱變量，量子力學(xué)之所以無法解釋這種現(xiàn)象，是因為它沒有包含這些隱變量。

EPR 悖論的提出，引發(fā)了物理學(xué)界長達(dá)數(shù)十年的激烈爭論。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派堅持量子力學(xué)的完備性，認(rèn)為量子世界的本質(zhì)就是概率性的、非定域的，愛因斯坦的隱變量理論是多余的；而以愛因斯坦為代表的一方則堅信 “上帝不擲骰子”，認(rèn)為量子力學(xué)只是一個暫時的理論，未來一定會被一個包含隱變量的經(jīng)典物理理論所取代。

在 EPR 悖論發(fā)表后不久，著名物理學(xué)家薛定諤閱讀了這篇論文，并對其中描述的量子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。他在給愛因斯坦的信中，首次使用了 “糾纏”（Entanglement）這個詞來描述這種現(xiàn)象，從此，“量子糾纏” 成為了物理學(xué)界的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。

薛定諤本人也對量子糾纏的詭異特性感到困惑，他認(rèn)為量子糾纏是量子力學(xué)中 “最本質(zhì)的特征”，但同時也承認(rèn)，這種現(xiàn)象 “與我們的日常經(jīng)驗格格不入”。和愛因斯坦一樣，薛定諤也不認(rèn)同量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，他曾提出著名的 “薛定諤的貓” 思想實驗，試圖揭示量子力學(xué)在宏觀世界中的荒謬性。

這場爭論持續(xù)了近 30 年，直到 1964 年才出現(xiàn)了關(guān)鍵性的突破。著名物理學(xué)家約翰?貝爾發(fā)表了一篇題為《論愛因斯坦 - 波多爾斯基 - 羅森悖論》的論文，在這篇論文中，他提出了一個重要的數(shù)學(xué)不等式 —— 貝爾不等式。貝爾不等式的核心思想是：如果愛因斯坦的隱變量理論成立，那么量子系統(tǒng)的測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性會滿足一個特定的數(shù)學(xué)關(guān)系；而如果量子力學(xué)的哥本哈根詮釋成立，那么測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性會突破這個數(shù)學(xué)關(guān)系。

貝爾不等式的提出，為解決 EPR 悖論提供了一個可實驗驗證的方法?？茖W(xué)家們可以通過實驗測量糾纏粒子的關(guān)聯(lián)特性，看看實驗結(jié)果是否滿足貝爾不等式 —— 如果滿足，就說明隱變量理論可能成立，量子力學(xué)不完備；如果不滿足，就說明隱變量理論不成立，量子力學(xué)的詮釋是正確的。

從 20 世紀(jì) 70 年代開始，科學(xué)家們陸續(xù)進(jìn)行了一系列驗證貝爾不等式的實驗，其中最著名的是 1982 年法國物理學(xué)家阿斯佩克特等人進(jìn)行的實驗。

在實驗中，阿斯佩克特團隊利用激光照射偏硼酸鋇晶體，產(chǎn)生了大量糾纏光子對，然后將這些光子對分開，分別發(fā)送到兩個相距約 12 米的測量裝置中。通過改變測量裝置的角度，他們測量了光子偏振狀態(tài)的關(guān)聯(lián)特性。

實驗結(jié)果表明，糾纏光子的關(guān)聯(lián)特性明顯違反了貝爾不等式，與量子力學(xué)的預(yù)測完全一致，而與隱變量理論的預(yù)測不符。這一實驗結(jié)果有力地證明了愛因斯坦提出的隱變量理論是不成立的，量子糾纏現(xiàn)象確實是量子世界的客觀存在，量子力學(xué)的哥本哈根詮釋是正確的。

此后，越來越多的科學(xué)家進(jìn)行了更精確、更嚴(yán)格的實驗，不斷驗證貝爾不等式。

2015 年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究團隊進(jìn)行了一項 “無漏洞” 的貝爾不等式驗證實驗，他們將糾纏光子對發(fā)送到相距 1.3 公里的兩個實驗室中，通過高精度的實驗裝置排除了所有可能的漏洞，實驗結(jié)果再次證實了量子糾纏的客觀存在。

這些實驗不僅結(jié)束了長達(dá)數(shù)十年的物理學(xué)爭論，也讓量子糾纏從一個 “理論悖論” 變成了一個被廣泛認(rèn)可的物理現(xiàn)象。從此，科學(xué)家們不再質(zhì)疑量子糾纏的存在，而是開始深入研究其本質(zhì)，并探索其應(yīng)用價值。

要研究量子糾纏的本質(zhì)和應(yīng)用，首先需要解決一個關(guān)鍵問題：如何制備出相互糾纏的粒子？同時，如何在更遠(yuǎn)的距離上維持量子糾纏狀態(tài)？這些問題不僅是量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的重要課題，也是量子技術(shù)應(yīng)用的前提。

制備糾纏粒子的核心原理是利用粒子的 “同源性”—— 只有來自同一個母粒子或同一個物理過程的粒子，才有可能發(fā)生量子糾纏。目前，科學(xué)家們最常用的制備糾纏粒子的方法是 “非線性光學(xué)過程”，其中最經(jīng)典的是 “自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換” 技術(shù)。

這種技術(shù)的原理并不復(fù)雜：當(dāng)一束高強度的激光照射到特定的非線性晶體（比如偏硼酸鋇晶體）上時，激光中的部分光子會被晶體 “拆分” 成兩個能量較低的光子。這兩個光子來自同一個母光子，因此它們的能量、動量、偏振等物理量之間會滿足嚴(yán)格的守恒關(guān)系，從而形成糾纏光子對。

具體來說，這兩個糾纏光子的偏振狀態(tài)是相互垂直的 —— 如果一個光子的偏振方向是水平的，另一個光子的偏振方向就一定是垂直的；反之亦然。這種偏振糾纏是目前應(yīng)用最廣泛的量子糾纏形式，因為它易于操控和測量，是量子通信、量子計算等技術(shù)的核心載體。

除了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)，科學(xué)家們還開發(fā)了其他制備量子糾纏的方法，比如離子阱技術(shù)（利用電磁場囚禁離子，通過激光操控讓離子發(fā)生糾纏）、超導(dǎo)量子比特技術(shù)（利用超導(dǎo)電路中的量子效應(yīng)制備糾纏態(tài)）、原子系綜技術(shù)（利用大量原子組成的系統(tǒng)制備集體糾纏態(tài)）等。不同的制備方法有著不同的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，比如離子阱技術(shù)制備的糾纏態(tài)穩(wěn)定性高，適合用于量子計算；超導(dǎo)量子比特技術(shù)制備的糾纏態(tài)操控性強，適合用于大規(guī)模量子芯片的研發(fā)。

需要強調(diào)的是，量子糾纏的制備并不是 “隨便兩個粒子放在一起就能糾纏”—— 它有著嚴(yán)格的物理條件限制。首先，粒子必須是 “同源” 的，來自同一個物理過程，這是形成糾纏的基礎(chǔ)；其次，制備環(huán)境必須足夠純凈，避免外界干擾破壞粒子的量子態(tài)；最后，粒子之間的相互作用必須滿足量子力學(xué)的耦合條件，才能讓個體屬性轉(zhuǎn)化為整體屬性。這也解釋了為什么我們不能用兩個手電筒發(fā)出的光子制造糾纏 —— 這些光子來自不同的光源，沒有同源性，也不滿足守恒關(guān)系，自然無法形成糾纏態(tài)。

制備出糾纏粒子后，如何在遠(yuǎn)距離上維持它們的糾纏狀態(tài)，是量子技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵難題。如前所述，量子糾纏對環(huán)境干擾極其敏感，粒子在傳輸過程中會與空氣分子、電磁場等發(fā)生相互作用，導(dǎo)致糾纏態(tài)迅速退相干。為了解決這個問題，科學(xué)家們采取了兩種主要思路：一是優(yōu)化傳輸介質(zhì)，減少干擾；二是提升糾纏粒子的穩(wěn)定性，延長退相干時間。

早期的遠(yuǎn)距離量子糾纏實驗主要在地面進(jìn)行。

2005 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在合肥開展了自由空間量子糾纏實驗。他們將制備出的糾纏光子對通過激光發(fā)射到 13 公里外的接收裝置，成功實現(xiàn)了雙向量子糾纏 “拆分” 和發(fā)送，創(chuàng)造了當(dāng)時的世界紀(jì)錄。這項實驗的關(guān)鍵在于選擇了海拔較高、空氣稀薄的實驗場地，減少了空氣分子對光子的散射和吸收，同時采用了高精度的瞄準(zhǔn)和接收技術(shù)，確保光子能夠準(zhǔn)確到達(dá)接收端。

2007 年，清華大學(xué)的研究團隊在青海湖開展實驗，利用青海湖周邊開闊、干擾小的地理優(yōu)勢，將量子糾纏的傳輸距離擴大到 16 公里。2009 年，該團隊又進(jìn)一步實現(xiàn)了 25 公里的量子態(tài)隱形傳輸，驗證了地面遠(yuǎn)距離量子糾纏的可行性。這些實驗為地面量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，也證明了通過優(yōu)化傳輸環(huán)境，能夠有效延長量子糾纏的傳輸距離。

除了自由空間傳輸，科學(xué)家們也在探索光纖傳輸量子糾纏。光纖具有傳輸損耗低、抗干擾能力強的優(yōu)勢，是傳統(tǒng)通信的主要載體。但光纖也會對量子態(tài)產(chǎn)生影響，比如光纖中的雜質(zhì)會導(dǎo)致光子吸收，光纖的偏振模色散會破壞光子的偏振糾纏。為了解決這些問題，科學(xué)家們開發(fā)了專用的量子光纖，通過優(yōu)化光纖材料和結(jié)構(gòu)，減少對量子態(tài)的干擾。目前，光纖量子糾纏的傳輸距離已經(jīng)達(dá)到百公里級別，為城域量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了技術(shù)支持。

地面遠(yuǎn)距離量子糾纏實驗面臨著一個無法回避的問題：地球曲率的影響。當(dāng)傳輸距離超過百公里后，地面接收裝置很難直接接收到來自發(fā)射端的光子，必須通過中繼站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但量子糾纏的特性決定了中繼站無法像傳統(tǒng)通信那樣放大和轉(zhuǎn)發(fā)量子態(tài)，否則會破壞糾纏狀態(tài)。為了解決這個問題，科學(xué)家們將目光投向了太空 —— 利用衛(wèi)星作為量子糾纏的傳輸平臺，能夠突破地球曲率的限制，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離量子糾纏。

2016 年 8 月 16 日，中國成功發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星 “墨子號”，這顆衛(wèi)星的核心任務(wù)之一就是開展星地量子糾纏實驗。

2017 年，“墨子號” 衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的支持下，成功實現(xiàn)了星地之間 1200 公里的量子糾纏分發(fā)。實驗中，“墨子號” 衛(wèi)星上的量子糾纏源制備出糾纏光子對后，通過激光發(fā)射到地面上的兩個接收站 —— 一個位于青海德令哈，另一個位于云南麗江，兩個接收站之間的地面距離超過 1200 公里。

“墨子號” 的實驗之所以能夠成功，關(guān)鍵在于太空環(huán)境的優(yōu)勢：太空是高真空、低溫度、無電磁干擾的理想環(huán)境，光子在太空中傳輸時，幾乎不會受到散射和吸收，能夠有效維持糾纏狀態(tài)。同時，“墨子號” 衛(wèi)星上搭載了高精度的指向和跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)⒐庾訙?zhǔn)確地發(fā)射到地面接收站。這項實驗不僅創(chuàng)造了量子糾纏傳輸距離的世界紀(jì)錄，也驗證了全球量子通信的可行性，為構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了關(guān)鍵一步。

此后，“墨子號” 還開展了一系列更具挑戰(zhàn)性的實驗，比如跨洲際量子糾纏分發(fā)。2018 年，“墨子號” 衛(wèi)星將糾纏光子對分別發(fā)送到中國和奧地利的地面接收站，實現(xiàn)了距離超過 7600 公里的跨洲際量子糾纏，證明了量子糾纏能夠在全球范圍內(nèi)傳播。這些實驗的成功，標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域走在了世界前列，也為人類利用量子糾纏技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

量子糾纏的詭異特性不僅顛覆了人類對微觀世界的認(rèn)知，也為人類帶來了一系列革命性的技術(shù)應(yīng)用前景。目前，量子糾纏的應(yīng)用主要集中在量子通信、量子計算等領(lǐng)域，而量子瞬移等更具科幻色彩的應(yīng)用，也在理論研究中不斷取得進(jìn)展。

提到量子糾纏的應(yīng)用，最成熟、最具現(xiàn)實意義的就是量子通信。但需要澄清的是，量子通信并不是利用量子糾纏來傳遞信息，而是利用量子糾纏的特性來給信息加密，這種加密方式被稱為 “量子密鑰分發(fā)”（QKD），其核心優(yōu)勢是 “絕對安全”—— 任何竊取信息的行為都會被瞬間發(fā)現(xiàn)，無法破解。

量子密鑰分發(fā)的原理基于量子力學(xué)的兩個核心特性：量子態(tài)的不可克隆性和測量導(dǎo)致坍縮。具體來說，通信雙方（比如 Alice 和 Bob）首先通過量子信道（如光纖、自由空間）分發(fā)糾纏光子對。Alice 和 Bob 各自對收到的光子進(jìn)行隨機的測量（比如測量光子的偏振方向），由于光子處于糾纏狀態(tài)，他們的測量結(jié)果會呈現(xiàn)出嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)特性。

接下來，Alice 和 Bob 通過經(jīng)典信道（如電話、互聯(lián)網(wǎng)）公開他們的測量方式，但不公開測量結(jié)果。然后，他們根據(jù)公開的測量方式，篩選出測量方式相同的那些光子 —— 這些光子的測量結(jié)果是完全關(guān)聯(lián)的，因此可以將這些測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為一串二進(jìn)制數(shù)字，這串?dāng)?shù)字就是 “量子密鑰”。

最關(guān)鍵的一步是安全驗證：如果有第三方（比如 Eve）試圖竊取量子密鑰，她就必須對傳輸中的糾纏光子進(jìn)行測量，而根據(jù)量子力學(xué)的特性，任何測量行為都會導(dǎo)致光子的糾纏態(tài)坍縮，改變光子的偏振狀態(tài)。這樣一來，Alice 和 Bob 在比對測量結(jié)果時，就會發(fā)現(xiàn)大量不匹配的情況，從而立刻意識到有竊聽者存在。此時，他們可以選擇放棄這組密鑰，重新分發(fā)糾纏光子對，直到獲得安全的量子密鑰。

與傳統(tǒng)的加密技術(shù)相比，量子密鑰分發(fā)具有兩個不可替代的優(yōu)勢：一是 “絕對安全”，傳統(tǒng)加密技術(shù)依賴于數(shù)學(xué)算法的復(fù)雜性，只要計算機的算力足夠強大，就有可能被破解；而量子密鑰分發(fā)依賴于量子力學(xué)的基本規(guī)律，任何竊取行為都會被發(fā)現(xiàn)，從原理上保證了加密的安全性。二是 “一次一密”，量子密鑰可以做到每次通信都使用新的密鑰，即使之前的密鑰被意外泄露，也不會影響后續(xù)通信的安全。

目前，量子通信已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)實應(yīng)用階段。中國已經(jīng)建成了全球首條量子保密通信骨干線路 “京滬干線”，這條線路連接了北京、上海、濟南、合肥等多個城市，全長超過 2000 公里，能夠為政府、銀行、電力等重要行業(yè)提供高安全級別的通信服務(wù)。同時，“墨子號” 衛(wèi)星與 “京滬干線” 結(jié)合，構(gòu)建了全球首個星地一體的量子通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了地面城市之間、地面與太空之間的量子保密通信。

除了中國，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)也在積極開展量子通信的研究和應(yīng)用。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子通信有望成為全球信息安全的核心保障，應(yīng)用于軍事、金融、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，保護人類的隱私和數(shù)據(jù)安全。

量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)特性，也讓 “量子瞬移” 成為了科學(xué)家們研究的熱點。量子瞬移的核心思想是：利用量子糾纏的關(guān)聯(lián)特性，將一個量子系統(tǒng)的狀態(tài)瞬間傳遞到另一個量子系統(tǒng)中，而不需要傳遞量子系統(tǒng)本身。需要強調(diào)的是，量子瞬移并不是 “瞬間移動” 物體，而是瞬間傳遞物體的量子狀態(tài)，其本質(zhì)是量子信息的傳遞。

量子瞬移的理論原理最早由美國科學(xué)家貝內(nèi)特等人于 1993 年提出。具體來說，要實現(xiàn)量子瞬移，需要三個粒子：粒子 A（待瞬移的量子系統(tǒng)）、粒子 B 和粒子 C（一對糾纏粒子）。其中，粒子 B 由發(fā)送方（Alice）持有，粒子 C 由接收方（Bob）持有。

實現(xiàn)過程分為三個步驟：第一步，Alice 對粒子 A 和粒子 B 進(jìn)行聯(lián)合測量，這個測量會導(dǎo)致粒子 A 和粒子 B 的量子態(tài)坍縮，同時也會影響到遠(yuǎn)在 Bob 處的粒子 C 的量子態(tài)（因為粒子 B 和粒子 C 是糾纏的）；第二步，Alice 將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳遞給 Bob；第三步，Bob 根據(jù) Alice 的測量結(jié)果，對粒子 C 進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，就能讓粒子 C 的量子態(tài)與粒子 A 原來的量子態(tài)完全相同 —— 這樣一來，粒子 A 的量子狀態(tài)就被瞬間傳遞到了粒子 C 上，實現(xiàn)了量子瞬移。

從這個過程可以看出，量子瞬移有兩個關(guān)鍵特點：一是量子態(tài)的傳遞是瞬間的，不受空間距離的限制；二是經(jīng)典信道的通信是必不可少的，Alice 必須將測量結(jié)果傳遞給 Bob，Bob 才能完成幺正變換，而經(jīng)典信道的通信速度不能超過光速。因此，量子瞬移并沒有違反相對論，也不能實現(xiàn)超光速傳遞物體或信息。

自 1993 年理論提出以來，科學(xué)家們已經(jīng)在實驗中實現(xiàn)了量子瞬移。1997 年，奧地利科學(xué)家蔡林格等人首次在實驗中實現(xiàn)了光子的量子瞬移；2004 年，美國科學(xué)家實現(xiàn)了原子的量子瞬移；2017 年，“墨子號” 衛(wèi)星實現(xiàn)了 1200 公里的星地量子瞬移，創(chuàng)造了量子瞬移距離的世界紀(jì)錄。

目前，量子瞬移的實驗對象主要是微觀粒子，如光子、原子、離子等。要實現(xiàn)宏觀物體的量子瞬移，面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：宏觀物體由大量微觀粒子組成，要將所有粒子的量子狀態(tài)同時傳遞，需要制備極其復(fù)雜的糾纏態(tài)，同時還要避免外界干擾導(dǎo)致量子態(tài)退相干。此外，宏觀物體的量子態(tài)測量和幺正變換也超出了目前的技術(shù)能力。

除了技術(shù)挑戰(zhàn)，量子瞬移還面臨著嚴(yán)重的倫理困境。

如果有一天人類能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀物體的量子瞬移，比如將一個人從地球瞬移到火星，那么就會產(chǎn)生一個核心問題：瞬移后的人還是原來的人嗎？從量子狀態(tài)來看，瞬移后的人的身體組成、基因序列、記憶存儲等都與原來的人完全相同；但從意識層面來看，瞬移后的人的意識是否與原來的人連續(xù)？原來的人在被測量后量子態(tài)坍縮，相當(dāng)于 “消失” 了，而瞬移后的人是一個 “復(fù)制品”—— 這個復(fù)制品是否擁有原來的意識和自我認(rèn)知？

這個問題不僅涉及到物理學(xué)的基本原理，還涉及到哲學(xué)、倫理學(xué)等多個領(lǐng)域。目前，科學(xué)家們對意識的本質(zhì)還沒有完全理解，因此無法給出明確的答案。但可以肯定的是，即使未來能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀物體的量子瞬移，也需要解決這些倫理問題，才能真正應(yīng)用于人類社會。

量子糾纏是量子計算的核心資源，量子計算機之所以能夠擁有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機的算力，本質(zhì)上就是利用了量子糾纏的特性。傳統(tǒng)計算機使用二進(jìn)制位（比特）作為信息的基本單位，每個比特只能處于 0 或 1 兩種狀態(tài)之一；而量子計算機使用量子比特（qubit）作為信息的基本單位，量子比特可以處于 0 和 1 的疊加態(tài)，同時，多個量子比特可以通過量子糾纏形成復(fù)雜的疊加態(tài)，從而實現(xiàn)并行計算。

舉一個簡單的例子：如果我們要解決一個 “尋找一組數(shù)據(jù)中的最大值” 的問題，傳統(tǒng)計算機需要逐個比較數(shù)據(jù)，假設(shè)數(shù)據(jù)量為 N，那么傳統(tǒng)計算機需要進(jìn)行 N-1 次比較；而量子計算機可以利用量子糾纏讓多個量子比特同時處于所有數(shù)據(jù)的疊加態(tài)，通過一次測量就能得到最大值，計算效率呈指數(shù)級提升。

這種并行計算能力讓量子計算機在處理某些特定問題時具有巨大的優(yōu)勢，比如大數(shù)分解、密碼破解、量子模擬等。例如，傳統(tǒng)計算機需要上千年才能破解的 RSA 加密算法，量子計算機只需要幾分鐘就能破解；傳統(tǒng)計算機無法模擬的復(fù)雜量子系統(tǒng)（如高溫超導(dǎo)材料、量子化學(xué)反應(yīng)），量子計算機可以通過量子糾纏構(gòu)建對應(yīng)的量子模型，進(jìn)行精確模擬。

目前，量子計算的研究已經(jīng)進(jìn)入了 “NISQ 時代”（Noisy Intermediate-Scale Quantum，嘈雜中等規(guī)模量子），即量子計算機的量子比特數(shù)量已經(jīng)達(dá)到幾十到幾百個，但量子比特的穩(wěn)定性和操控精度還不夠高，存在一定的噪聲和誤差。

中國在量子計算領(lǐng)域也取得了顯著的進(jìn)展。2020 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊成功構(gòu)建了 76 個光子的量子計算原型機 “九章”，在 “高斯玻色取樣” 問題上實現(xiàn)了對傳統(tǒng)超級計算機的超越，處理速度比當(dāng)時最快的超級計算機快一百萬億倍。2021 年，該團隊又構(gòu)建了 113 個量子比特的超導(dǎo)量子計算原型機 “祖沖之號”，在 “隨機線路取樣” 問題上取得了重要突破。

但量子計算的發(fā)展仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)：一是量子比特的穩(wěn)定性問題，目前的量子比特容易受到外界干擾，退相干時間較短，需要開發(fā)更穩(wěn)定的量子比特材料和制備技術(shù)；二是量子糾纏的操控問題，要實現(xiàn)大規(guī)模量子計算，需要精確操控大量量子比特之間的糾纏，這對操控技術(shù)的精度和效率提出了極高的要求；三是量子誤差校正問題，量子計算過程中不可避免地會產(chǎn)生誤差，需要開發(fā)有效的量子誤差校正算法，保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但量子計算的發(fā)展前景依然十分廣闊?？茖W(xué)家們預(yù)測，在未來 10-20 年內(nèi)，量子計算機有望實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，在金融、醫(yī)療、能源、人工智能等領(lǐng)域引發(fā)革命性的變革。

盡管量子糾纏的現(xiàn)象已經(jīng)被無數(shù)實驗證實，其應(yīng)用也在不斷推進(jìn)，但關(guān)于量子糾纏的本質(zhì)，科學(xué)家們至今仍沒有達(dá)成共識。這個問題不僅是量子力學(xué)的核心謎題，也關(guān)系到人類對宇宙底層邏輯的認(rèn)知。

根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，量子糾纏的本質(zhì)是量子系統(tǒng)的整體性和非定域性。正如我們之前所強調(diào)的，糾纏中的粒子是一個不可分割的整體，它們的狀態(tài)由一個統(tǒng)一的波函數(shù)描述，因此，測量其中一個粒子的狀態(tài)，必然會影響到整個系統(tǒng)的狀態(tài)，這種影響不受空間距離的限制 —— 這并不是因為粒子之間傳遞了某種超光速的信息，而是因為它們本身就是一個整體，不存在 “距離” 的概念。

這種解釋雖然能夠很好地符合實驗結(jié)果，但卻與人類的常識認(rèn)知和經(jīng)典物理的定域性原則相沖突。在經(jīng)典物理中，物體的相互作用必須通過介質(zhì)傳遞，且傳遞速度不能超過光速，這是相對論的核心原則；而量子糾纏的非定域性則意味著，存在一種不依賴于介質(zhì)、超距的關(guān)聯(lián)作用，這讓很多科學(xué)家難以接受。

為了調(diào)和量子糾纏的非定域性與相對論的定域性之間的矛盾，一些科學(xué)家提出了非主流的解釋，其中最具代表性的是 “非定域隱變量理論” 和 “高維空間假說”。

“非定域隱變量理論” 是對愛因斯坦隱變量理論的修正。這種理論認(rèn)為，量子系統(tǒng)中確實存在隱變量，但這些隱變量是 “非定域” 的，它們可以在不同的空間點之間產(chǎn)生超距作用。這種理論雖然能夠解釋量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)，但卻需要引入新的物理假設(shè)，而且目前還沒有被實驗證實。

“高維空間假說” 則從空間維度的角度解釋量子糾纏。

這種假說認(rèn)為，我們所處的三維空間只是高維空間的一個 “投影”，糾纏中的粒子在高維空間中其實是相互連接的，它們之間的超距關(guān)聯(lián)并不是真正的 “超距”，而是通過高維空間進(jìn)行的 “近距離” 作用。就像在二維平面上，兩個相距很遠(yuǎn)的點，在三維空間中可以通過一個 “隧道” 連接起來，變得很近 —— 量子糾纏中的粒子，可能就是通過高維空間的 “隧道” 實現(xiàn)了瞬間關(guān)聯(lián)。

這種假說充滿了科幻色彩，也符合人類對宇宙維度的想象，但目前還沒有任何實驗證據(jù)能夠證明高維空間的存在。而且，高維空間假說也面臨著一個核心問題：如果高維空間存在，為什么我們無法感知到它？這些問題的解答，可能需要等待物理學(xué)的重大突破。