量子計算、量子加密以及與量子有關(guān)的各種技術(shù)頻繁出現(xiàn)在新聞報道中。這些報道幾乎無一例外地提到了糾纏，這一量子物理特性使得眾多神奇的設(shè)備成為可能。

糾纏被愛因斯坦冠以“鬼魅般的超距作用”之名，這個術(shù)語逐漸家喻戶曉。構(gòu)建量子計算機(jī)之外，理解和利用糾纏在其他領(lǐng)域也大有裨益。

例如，它可以被用來更精確地探測引力波，幫助我們更好地理解奇特材料的屬性。在其他學(xué)科中，糾纏也能更準(zhǔn)確地揭示真相：我一直在研究粒子是如何相互撞擊形成糾纏的，并試圖理解它如何影響原子鐘的精確性。

但是，糾纏究竟是什么？如何理解這種“詭異”的現(xiàn)象？我將嘗試通過結(jié)合物理學(xué)中的兩個基本概念來解釋它：守恒定律和量子疊加。

守恒定律

守恒定律是物理學(xué)中最基礎(chǔ)、最重要的原則之一。能量守恒定律表明，一個封閉（孤立）系統(tǒng)的總能量保持不變，能量可以從一種形式（如電能、機(jī)械能或熱能）轉(zhuǎn)換為另一種形式。這個定律是所有機(jī)器運作的基礎(chǔ)，無論是蒸汽機(jī)還是電車。守恒定律就像一本會計賬簿：你可以稍稍改變周圍的一些能量，但總數(shù)必須保持不變。

動量守恒（動量是質(zhì)量與速度的乘積）可以解釋為什么兩個體重不同的滑冰者相撞后會分開，體重較輕的那個會滑得更遠(yuǎn)更快。守恒定律還解釋了那句著名的格言：每個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力。（再次以滑冰者為例）角動量守恒則解釋了滑冰者通過拉近手臂來旋轉(zhuǎn)自己會更快地靠近中心。

這些守恒定律已被廣泛的實驗所證實，它們在宇宙的廣闊尺度上都發(fā)揮著作用，從小至電子的旋轉(zhuǎn)到大至星系里的黑洞。

量子領(lǐng)域的補充

想象你在森林中享受徒步旅行。在小徑上遇到一個岔路口，你猶豫不決是走左邊還是右邊。左邊的小徑陰暗但通往美麗的景色；右邊的小徑陽光明媚但道路崎嶇。你最終選擇了右邊，但心里還是對左邊小徑念念不忘。在量子世界里，你可以同時選擇兩條路。

對于孤立的量子系統(tǒng)而言，其中的規(guī)則更加有趣。以陀螺為例，一個原子可以順時針旋轉(zhuǎn)，也可以逆時針旋轉(zhuǎn)。盡管與陀螺不同，它仍然可以處于[順時針旋轉(zhuǎn)]和[逆時針旋轉(zhuǎn)]的疊加狀態(tài)。

量子系統(tǒng)可以相加相減。從數(shù)學(xué)角度看，量子態(tài)的組合規(guī)則與向量的加減規(guī)則相似。對于這樣的量子態(tài)組合，現(xiàn)實世界呈現(xiàn)出疊加的狀態(tài)。你可能聽說過背后隱藏著奇怪量子效應(yīng)的雙縫實驗或波粒二象性。

你決定迫使一個處于[順時針旋轉(zhuǎn)]和[逆時針旋轉(zhuǎn)]疊加態(tài)的電子給出一個確定的答案。然后，處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子要么停在[順時針旋轉(zhuǎn)]狀態(tài)，要么停在[逆時針旋轉(zhuǎn)]狀態(tài)。兩種結(jié)果出現(xiàn)的概率很容易計算（手頭有一本好的物理書的話）。如果你認(rèn)為宇宙應(yīng)該完全按照預(yù)定的方式運行，那么這個過程內(nèi)在的隨機(jī)性可能會讓你不安。然而，這就是我們所經(jīng)歷的（實驗測試）……

守恒定律和量子力學(xué)

現(xiàn)在，讓我們將這兩個概念結(jié)合起來，并將能量守恒定律應(yīng)用到一對量子粒子上。

假設(shè)有一對量子粒子（原子），它們共有100單位的能量。你和你的朋友各持一個粒子，你會發(fā)現(xiàn)自己持有的粒子有40單位能量。通過能量守恒定律，你可以推斷出你的朋友持有的粒子有60單位的能量。一旦你了解了自己原子的能量，你也就立即知道了你朋友原子的能量。哪怕你朋友不告訴你任何信息，你也能知道。哪怕你測量原子能量的同時你的朋友正位于銀河系的另一端，你也能知道。它們之間沒有什么可怕的（一旦你意識到這只是一種關(guān)聯(lián)而非因果關(guān)系）。

但這對原子的量子狀態(tài)可能更有趣。這對原子的能量可以以多種方式分配（當(dāng)然，這符合能量守恒定律）。這對原子的組合狀態(tài)是疊加態(tài)，例如：[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]。

這就是所謂的糾纏態(tài)。無論是你的原子還是你朋友的原子，其能量在疊加態(tài)下都不是明確的。然而，根據(jù)能量守恒定律，這兩個原子的性質(zhì)是相關(guān)的：它們的能量總和始終等于100單位。

例如，如果你測量自己的原子發(fā)現(xiàn)其具有70單位的能量，那么你就能確定你朋友的原子具有30單位的能量。哪怕你朋友不告訴你任何信息，你也能知道。多虧了能量守恒定律，哪怕你朋友在銀河系的另一端你也能知道你朋友的原子能量。