被称为“幽灵般的超距作用”的纠缠到底是个啥？

我们经常在新闻中看到量子计算机、量子密码和“量子……”的概念。与量子相关的文章将不可避免地提到纠缠。正是纠缠，一种量子物理特性，使得所有这些神奇的装置成为可能。

爱因斯坦称纠缠为“幽灵般的距离效应”，这个名字一直流传至今，并且越来越流行。理解和使用纠缠有助于构建更好的量子计算机，在其他方面也很有用。例如，我们可以用它来更精确地测量引力波，并更好地理解特殊材料的特性。它在其他地方有微妙的表现:我一直在研究碰撞的原子是如何交织在一起的，以理解这是如何影响原子钟的精确度的。

但是什么是纠缠呢？有什么方法可以理解这种“鬼”现象吗？我将试图通过结合物理学中的两个概念——守恒定律和量子叠加来解释它。

守恒定律

守恒定律是物理学中一些最深刻和最普遍的概念。能量守恒定律指出，孤立系统的总能量保持不变(尽管这种能量可以从电能转化为机械能，然后转化为热能，等等)。)。这项法律是所有机器运转的基础，如蒸汽机和电动汽车。守恒定律就像一份会计报表:你可以和周围的环境交换一些能量，但是能量总量必须保持不变。

当两个重量不同的溜冰者互相推开时，较轻的那个比较重的那个走得快。这背后的原因可以用动量守恒(动量=质量×速度)来解释。动量守恒定律也解释了一句名言:“每个动作都有大小相等方向相反的反作用力。”让我们回到溜冰者的例子，角动量守恒可以解释为什么旋转的花样滑冰者可以通过把手臂靠近身体来加速旋转。

我们已经通过实验证明，这些守恒定律适用于宇宙中非常广泛的尺度，从遥远星系中的黑洞到最小的自旋电子。

量子叠加

想象一下在森林里愉快的徒步旅行。你来到一个岔路口，发现自己在艰难地决定向左还是向右。左边的路看起来又暗又暗，但据说它会带来美丽的风景。右边的路看起来阳光明媚，但很陡。最后，你决定向右走，但是你的心里充满了对你没有走过的路的渴望。然而，在量子世界中，你可以同时选择两条路径。

对于量子力学描述的系统(也就是说，那些与热和外部干扰充分隔离的物体)，物理定律甚至更有趣。就像陀螺仪一样，电子可以顺时针或逆时针旋转。但与陀螺仪不同，电子也可以处于“顺时针+逆时针”的旋转状态。

量子系统的状态可以加或减。从数学上讲，量子态的组合可以用矢量的加法和减法来描述。我们用叠加来表示量子态的组合。你可能在双缝实验、波粒二象性等等中听说过的奇怪量子效应背后的原理是量子叠加。

假设你决定迫使一个电子处于{顺时针旋转}+{逆时针旋转}的叠加状态，以产生一个确定的状态。那么电子最终将随机处于{顺时针旋转}状态或{逆时针旋转}状态。我们可以很容易地计算出一个结果相对于另一个结果的概率。如果你的世界观要求宇宙以完全可预测的方式运行，那么这个过程的内在随机性可能会困扰你，但这是通过实验检验的现实。

守恒定律和量子力学

现在让我们把这两个概念结合起来，把能量守恒定律应用到一对量子粒子上。

想象一对初始能量为100单位的量子粒子(如原子)。你和你的朋友把这对粒子分开，每人拿一个。你发现你的原子有40个能量单位。根据能量守恒定律，你可以推断出你朋友持有的原子一定有60个能量单位。一旦你知道了你的原子的能量，你就会立刻知道你朋友的原子的能量。即使你的朋友从未向你透露过任何信息，你也会知道的。即使你的朋友在银河系的另一边，当你测量你的原子能量时，你也会知道这一点。一旦你意识到这只是一种关联，而不是因果关系，你就会知道这根本不是一个“鬼”。

但是一对原子的量子态可能更有趣。在遵守能量守恒定律的前提下，这对原子的能量可以以许多可能的方式分布，并且它们的组合态可以处于叠加态，例如:

{你的原子:60个单位；原子之友:40个单位}+

{你的原子:70个单位；朋友的原子:30个单位。

这是两个原子的纠缠态。无论你或你朋友的原子，在这种叠加态下都没有确定的能量。然而，由于能量守恒，这两个原子的性质是相互关联的:它们的能量总和总是100个单位。

例如，如果你测量你的原子，发现它处于70个能量单位的状态，那么你可以确定你朋友的原子有30个能量单位。即使你的朋友从未向你透露过任何信息，你也会知道的。由于能量守恒，你和你的朋友们可以知道这一点，即使他们是一个星系。

没有鬼魂。