在物理学那座宏伟的大厦里，阿尔伯特·爱因斯坦无疑是最耀眼的建筑师之一。他对宇宙有着深刻而经典的直觉，坚信物理世界应当是确定性的、实在的，并且任何信息的传递都不能超过光速。正是基于这种信念，他对新兴的量子力学抱有深深的怀疑，那句著名的“上帝不掷骰子”便是他对量子世界随机性的极力反驳。

让爱因斯坦最为耿耿于怀，甚至在晚年斥之为“遥远地点之间的鬼魅作用”的现象，就是我们今天要探讨的主角——量子纠缠。

这个听起来有些玄幻的名词，描述的是量子世界中一种极其独特的关联方式。想象一下，有两个微观粒子，比如电子或光子，它们在某种特定条件下产生了一种深刻的“羁绊”。一旦建立了这种关系，无论它们相距多远，哪怕一个在地球，另一个飞到了银河系的边缘，它们似乎仍然保持着一种神秘的连接。当你对其中一个粒子进行测量时，另一个粒子的状态会瞬间发生相应的变化，仿佛它们之间有着某种超越时空的默契。

这种现象在经典世界里是完全无法想象的。假如你有一副手套，把左手套放在北京，右手套寄到纽约。当你打开北京的盒子看到左手套时，你当然瞬间就知道纽约那个是右手套。这并不稀奇，因为手套的状态在放入盒子时就已经确定了。

量子世界的诡异之处在于，在没有进行测量之前，粒子的状态根本就是不确定的。

要理解这一点，我们需要引入一个核心概念：量子态叠加。在微观尺度下，一个粒子可以同时处于多种可能状态的混合之中。还是以电子为例，它有一种被称为“自旋”的内在属性，可以简单想象成陀螺的旋转方向，有“向上”和“向下”两种可能。在经典物理中，一个电子要么向上转，要么向下转。但在量子力学里，在你没有进行观测之前，这个电子既不是向上，也不是向下，而是处于一种“既向上又向下”的叠加状态。这听起来违背直觉，但这正是量子世界的常态。

叠加态这种模糊不清的状态会一直持续下去，直到外界对它进行了观测或测量。在这个瞬间，粒子的状态会从那种可能性的云雾中突然跌落到一个确定的现实中，我们要么观测到“向上”，要么观测到“向下”。物理学家把这个过程称为波函数坍缩。

回到量子纠缠。当两个粒子纠缠在一起时，它们就不再是两个独立的个体，而是一个不可分割的整体系统。这个系统处于一种特殊的叠加态中。以自旋为例，如果这一对纠缠电子的总自旋为零，那么意味着如果一个向上，另一个必须向下。关键在于，在测量之前，粒子A和粒子B都处于既向上又向下的叠加态。

奇迹发生在你对粒子A进行测量的那一刻。假设你发现粒子A的自旋是“向上”，那么在这一瞬间，粒子A的波函数发生了坍缩。不可思议的是，远在天边的粒子B，仿佛瞬间“感知”到了A的命运，它的波函数也立刻坍缩，并且只能坍缩到“向下”的状态，以保证整个系统的守恒。

这种超越空间的瞬间关联，正是爱因斯坦感到不安的原因。它似乎暗示着某种信息传播速度超过了光速，违背了相对论的定域性原理。

那么，这是否意味着我们可以利用量子纠缠来实现星际间的瞬间通信呢？

很遗憾，答案是否定的。尽管纠缠粒子之间的关联是瞬时的，但我们无法利用这种关联来传递有效信息。原因在于测量的随机性。当我们测量粒子A时，得到“向上”还是“向下”的结果是完全随机的，我们无法控制这个结果。既然我们无法控制这一端的结果，自然也就无法通过它来向另一端发送预定的信号（比如用“向上”代表1，用“向下”代表0）。

另一端的观察者虽然在同一瞬间得到了一个确定的结果，但对于他来说，这个结果看起来也是完全随机的。只有当两边的观察者事后通过打电话、发邮件等传统的（不快于光速的）通信方式核对数据时，他们才会惊奇地发现，原来他们每一次的测量结果都存在着完美的关联。

因此，量子纠缠本身并不能实现超光速通信。爱因斯坦担心的因果律崩溃并没有发生。

既然不能用来打电话发微信，那我们常听说的“量子通信”又是怎么回事呢？

其实，科学家们利用量子纠缠的特性，开发出了绝对安全的加密技术，也就是量子密钥分发。如果有一个窃听者试图在传输途中截获并测量纠缠粒子，根据量子力学原理，任何测量行为都会不可避免地破坏粒子的脆弱叠加态，导致波函数坍缩。这样一来，通信双方就会立即察觉到数据中的异常误码，从而知道有人在窃听。这种安全性不是基于数学计算的复杂性，而是基于物理定律本身。

爱因斯坦虽然对量子力学的解释抱有迟疑，但他敏锐地指出了量子纠缠这一核心特征。经过无数次精密的实验验证，包括最近几年获得诺贝尔奖的相关工作，物理学家们已经证实，这种“鬼魅般的远距作用”是真实存在的宇宙基本属性。它虽然不能帮我们瞬间传信，却为我们打开了通往量子计算和绝对安全通信的大门。

来源: 张天缘的科普号