什么是“糾纏”？

這是系統(tǒng)各部分之間的相關(guān)性。假設(shè)您有一本 100 頁的書，如果您閱讀 10 頁，您將了解 10% 的內(nèi)容。如果你再讀 10 頁，你會(huì)再學(xué)到 10%。但在一本高度糾纏的量子書中，如果你一次讀一頁——甚至是 10 頁——你幾乎什么也學(xué)不到。信息沒有寫在頁面上。它存儲(chǔ)在頁面之間的相關(guān)性中，因此您必須以某種方式一次讀取所有頁面。

再比如，我們讀包含有20個(gè)字的一句話，我們需要把整句話讀完才能準(zhǔn)確明白這句話的意思。顯然，這句話的信息不僅僅只是這20個(gè)字的信息的簡(jiǎn)單疊加，更主要的是這20個(gè)字之間的關(guān)聯(lián)性。

誰發(fā)現(xiàn)了量子糾纏？

物理學(xué)家在 20 世紀(jì)初期研究量子力學(xué)時(shí)，發(fā)展了糾纏背后的基本思想。他們發(fā)現(xiàn)，為了正確描述亞原子系統(tǒng)，他們必須使用一種叫做量子態(tài)的東西。

在量子世界中，沒有什么是確定的。例如，你永遠(yuǎn)不知道原子中電子的確切位置，只知道它可能在哪里。量子態(tài)概括了測(cè)量粒子特定屬性的概率，例如其位置或角動(dòng)量。因此，電子的量子態(tài)描述了可能找到它的所有位置，以及在這些位置找到電子的概率。

量子態(tài)的另一個(gè)特征是它們可以與其他量子態(tài)相關(guān)聯(lián)，這意味著對(duì)一種狀態(tài)的測(cè)量會(huì)影響另一種狀態(tài)。在 1935 年的一篇論文中，阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和內(nèi)森·羅森研究了相關(guān)量子態(tài)之間相互作用的強(qiáng)度。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)粒子強(qiáng)相關(guān)時(shí)，它們會(huì)失去各自的量子態(tài)，而是共享一個(gè)單一的、統(tǒng)一的狀態(tài)。這種統(tǒng)一狀態(tài)將被稱為量子糾纏。

如果兩個(gè)粒子糾纏在一起，這意味著它們的量子態(tài)密切相關(guān)并變得統(tǒng)一，那么無論粒子彼此相距多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量都會(huì)自動(dòng)影響另一個(gè)粒子。
第一個(gè)使用“糾纏”這個(gè)詞的物理學(xué)家是埃爾文·薛定諤，他將糾纏描述為量子力學(xué)最本質(zhì)的東西。

什么是 EPR 佯謬？

正如愛因斯坦、波多爾斯基和羅森發(fā)現(xiàn)的那樣，糾纏是瞬間出現(xiàn)的：一旦你知道一個(gè)量子態(tài)，你就會(huì)自動(dòng)知道任何糾纏粒子的量子態(tài)。原則上，你可以將兩個(gè)糾纏的粒子放在星系的兩端，并且仍然擁有這種瞬時(shí)知識(shí)，這似乎違反了光速的極限。

這一結(jié)果被稱為 EPR 悖論——愛因斯坦將這種效應(yīng)稱為“遠(yuǎn)距離的幽靈行為”。他用這個(gè)悖論作為量子理論不完備的證據(jù)。但實(shí)驗(yàn)一再證實(shí)，無論距離如何，糾纏粒子確實(shí)會(huì)相互影響，而量子力學(xué)至今仍得到驗(yàn)證。
盡管糾纏系統(tǒng)不保持局域性（意味著糾纏系統(tǒng)的一部分可以立即影響遙遠(yuǎn)的粒子），但它們確實(shí)尊重因果關(guān)系，這意味著結(jié)果總是有原因的。遠(yuǎn)處粒子處的觀察者不知道本地觀察者是否擾亂了糾纏系統(tǒng)，反之亦然。他們必須以不超過光速的速度相互交換信息才能確認(rèn)。

換句話說，光速施加的限制仍然適用于糾纏系統(tǒng)。雖然您可能知道遠(yuǎn)處粒子的狀態(tài)，但您無法以比光速更快的速度傳達(dá)此信息。

如何構(gòu)建量子糾纏？

有許多方法可以產(chǎn)生糾纏粒子。一種方法是冷卻粒子并將它們放置得足夠近，以便它們的量子態(tài)（代表位置的不確定性）重疊，從而無法將一個(gè)粒子與另一個(gè)粒子區(qū)分開來。

另一種方法是依靠一些亞原子過程，如核衰變，自動(dòng)產(chǎn)生糾纏粒子。還可以通過分裂單個(gè)光子并在此過程中產(chǎn)生一對(duì)光子，或通過在光纖電纜中混合光子對(duì)來創(chuàng)建糾纏光子對(duì)。

量子糾纏有什么用？

也許量子糾纏最廣泛使用的應(yīng)用是在密碼學(xué)中。在這種情況下，發(fā)送者和接收者建立了一個(gè)安全的通信鏈接，其中包括成對(duì)的糾纏粒子。發(fā)送方和接收方使用糾纏粒子生成只有他們自己知道的私鑰，他們可以使用這些私鑰對(duì)他們的消息進(jìn)行編碼。如果有人攔截信號(hào)并嘗試讀取私鑰，糾纏就會(huì)中斷，因?yàn)闇y(cè)量糾纏粒子會(huì)改變其狀態(tài)。這意味著發(fā)送方和接收方將知道他們的通信已被破壞。

糾纏的另一個(gè)應(yīng)用是量子計(jì)算，其中大量粒子糾纏在一起，從而使它們能夠協(xié)同工作以解決一些大而復(fù)雜的問題。例如，只有 10 個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)可以表示與 2^10 個(gè)傳統(tǒng)位相同的內(nèi)存量。

什么是量子糾纏隱形傳態(tài)？

與通常使用的“傳送”一詞相反，量子傳送不涉及粒子本身的移動(dòng)或平移，相反，在量子隱形傳態(tài)中，關(guān)于一種量子態(tài)的信息被傳輸很遠(yuǎn)的距離并在其他地方復(fù)制。最好將量子隱形傳態(tài)視為傳統(tǒng)通信的量子版本。

首先，發(fā)送者準(zhǔn)備一個(gè)粒子來包含他們想要傳輸?shù)男畔ⅲ戳孔討B(tài)）。然后，他們將這種量子態(tài)與一對(duì)糾纏的粒子中的一個(gè)結(jié)合起來。這會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)糾纏對(duì)發(fā)生相應(yīng)的變化，它可以位于任意距離之外。

然后接收器記錄該糾纏對(duì)的變化。最后，發(fā)送方必須通過正常通道（即受光速限制）傳輸對(duì)糾纏對(duì)所做的原始更改。這允許接收器在新位置重建量子態(tài)。

傳遞一條微不足道的信息似乎需要做很多工作，但量子隱形傳態(tài)可以實(shí)現(xiàn)完全安全的通信。如果竊聽者攔截了信號(hào)，他們將打破糾纏，當(dāng)接收者將傳統(tǒng)信號(hào)與糾纏對(duì)中所做的變化進(jìn)行比較時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)糾纏。

糾纏在量子計(jì)算中的應(yīng)用

簡(jiǎn)單的 2 量子位糾纏對(duì) (EPR) 在量子計(jì)算中有一些已確定的應(yīng)用，包括：

超密集編碼

簡(jiǎn)而言之，超密集編碼是使用 1 個(gè)糾纏量子位傳輸 2 個(gè)經(jīng)典信息位的過程。超密集編碼可以：

• 允許用戶提前發(fā)送重建經(jīng)典消息所需的一半時(shí)間，讓用戶以雙倍速度傳輸，直到預(yù)先交付的量子位用完。

• 通過在高延遲通道上發(fā)送一半的信息來支持從低延遲通道傳來的信息，從而將高延遲帶寬轉(zhuǎn)換為低延遲帶寬。

• 在雙向量子信道的一個(gè)方向上雙倍經(jīng)典容量（例如，將帶寬為 B 的雙向量子信道（在兩個(gè)方向上）轉(zhuǎn)換為帶寬為 2B 的單向經(jīng)典信道）。

量子密碼學(xué)

密碼學(xué)的關(guān)鍵是在兩方之間提供安全通道。糾纏實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。如果兩個(gè)系統(tǒng)純粹糾纏在一起，則意味著它們彼此相關(guān)（即，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生變化）并且沒有第三方共享這種相關(guān)性。此外，量子密碼學(xué)受益于不可克隆定理，該定理指出：“不可能創(chuàng)建任意未知量子狀態(tài)的獨(dú)立且相同的副本”。因此，理論上不可能復(fù)制以量子態(tài)編碼的數(shù)據(jù)。

量子隱形傳態(tài)

量子隱形傳態(tài)也是兩方交換光子、原子、電子、超導(dǎo)電路等量子信息的過程。傳送允許 QC 并行工作并使用更少的電力，從而將功耗降低 100 到 1000 倍。

量子隱形傳態(tài)與量子密碼學(xué)的區(qū)別在于：

• 量子隱形傳態(tài)通過經(jīng)典通道交換“量子”信息

• 量子密碼學(xué)通過量子通道交換“經(jīng)典”信息

目前量子隱形傳態(tài)面臨的挑戰(zhàn)是：

• 傳送的信息量

• 在傳送之前，發(fā)送方和接收方之間共享的量子信息量。

• 發(fā)送者應(yīng)該擁有該對(duì)的一個(gè)量子位，而接收者應(yīng)該擁有該對(duì)的另一個(gè)量子位

• 發(fā)送方和接收方量子比特之間的先驗(yàn)相關(guān)強(qiáng)度增加了量子通道的容量

• 作用于量子通道的隱形傳態(tài)電路噪聲