其實量子糾纏指的是一種狀態(tài)。

兩個孿生粒子，A 的狀態(tài)必然與 B 相反，它們命運緊密相連 ，這種狀態(tài)被稱為：量子糾纏。

1935 年，薛老師很忙。

除了 N 多前女友和養(yǎng)貓以外，薛老師發(fā)現(xiàn)了量子的另一個詭異之處，而當(dāng)時幾乎沒有人注意到這個問題。

為了研究微觀世界，看看原子核這個大西瓜肚子里都有些什么籽兒，科學(xué)家祭出了最強大的武器：粒子對撞機(jī)。

歐核中心（CERN）的加速器就是干這個的：

最常見的現(xiàn)象是：母粒子被撞擊后，分裂成兩個更小的粒子 A 和 B。

因為能量守恒原理，子粒子能量相同，方向相反。

比如說，因為母粒子靜止不動，所以分裂后的子粒子 A 向左邊飛，B 一定往右邊飛，這樣才能左右抵消。

同理，A 的自旋（角動量）向上，B 的自旋一定向下。

至于具體是向上還是向下，這是個隨機(jī)事件，必須觀測后才能知道。

那么問題來了：根據(jù)量子理論，在不被觀測的情況下，粒子處于多種可能性的疊加態(tài)。

舉個例子。就像箱子里那只不死不活的薛定諤的貓一樣：A 和 B 這對龍鳳胎粒子，自打出娘胎起，他們的性別就沒確定，直到有人來看了一眼，這才瞬間分出男女！

然而和薛貓不同的是，箱子里的貓只有一只，孿生粒子卻有兩個。

而且，這兩個粒子即使相隔很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，疊加態(tài)也能保持不變。

如同在千里之外，瞬間產(chǎn)生聯(lián)系……

是時候到愛因斯坦登場了。

來自幽靈的威脅

大家都知道愛因斯坦創(chuàng)立了相對論。

但很少有人知道，大神在 35 歲就已經(jīng)功成名就（完成狹義+廣義相對論），而在之后 40 年的悠長歲月里，他其實都在糾結(jié)一件事：量子力學(xué)。

曾經(jīng)，他也是一個集美貌與才華于一身的男子，研究量子力學(xué) 30 年之后，能讓愛因斯坦這種大神級人物「不明白」的，不是深奧的理論和復(fù)雜的公式，而是宇宙的意義。

愛因斯坦深信，宇宙在本質(zhì)上是高度和諧的，這種和諧是可以通過數(shù)學(xué)之美體現(xiàn)出來的。

所以，一個理論如果不美，倒不是說一定是錯的，但它肯定不夠本質(zhì)。

在更高的層面上，和諧，比對錯更重要。

而量子力學(xué)，在愛因斯坦看來，就是一種不和諧（不完備）的理論。

比如，量子力學(xué)的核心思想是：微觀世界的一切只能用概率統(tǒng)計來表達(dá)，而具體到單個的粒子，它的狀態(tài)是不確定的疊加態(tài)。

把這個粒子放大 N 億倍，就成了薛定諤的貓。這是第一個讓愛因斯坦不爽的地方：量子力學(xué)否認(rèn)了物質(zhì)的實在性。愛因斯坦認(rèn)為，根本不存在薛定諤思想實驗中那只不死不活的疊加態(tài)的貓。

貓的死活在觀測之前就是定數(shù)，只不過愚蠢的人類看不見箱子里發(fā)生的一切，只能推測出「50% 活 or 50% 死」的概率。你是不是突然有一種，和愛因斯坦英雄所見略同的感覺？

打個不太恰當(dāng)?shù)谋确剑ńo量子打個恰當(dāng)?shù)谋确秸娴暮秒y?。?/p>

比如，我在知乎的粉絲男女比例是 80:20。我相信，每個關(guān)注我的知友，一定都對自己的性別深信不疑。

然而，那些發(fā)明量子力學(xué)的瘋狂科學(xué)家們，他們竟然說：80:20 的比例，說明每位知友的性別是不確定的，見面時 80% 的可能性會變成男生，20% 的可能性變成女生！

因為只有這樣我才能解釋，為什么線下活動時見面的都是男生，而索要福利的都是女生。至于女生為什么沒來，可能是出于一些很簡單的原因，比如當(dāng)天身體不舒服。僅僅因為我們不知道背后的原因，就認(rèn)為人的性別是可以按一定概率隨機(jī)改變的，純屬不切實際的猜想。

這個「背后隱藏的原因」，學(xué)名叫作 「隱變量」 。

當(dāng)時包括愛因斯坦在內(nèi)的很多人都以為，一旦我們揪出了隱變量，量子力學(xué)那些混沌不清的陰暗角落，就會被照亮得一覽無余。一個不擲骰子的上帝，一個確定無疑的世界，一個可以被人類的直覺完全理解的宇宙——這就是愛因斯坦的終極夢想。到那時，「薛定諤的貓」之類的奇幻故事，只能給孫子當(dāng)哈利波特講了。

結(jié)果，貓的故事還沒講完，薛老師又想了一出「孿生粒子疊加態(tài)」，第二次觸怒了愛因斯坦大神。因為這一次，量子力學(xué)要挑戰(zhàn)的是相對論。研究微觀小世界的量子力學(xué)，怎么會和研究宏觀大宇宙的相對論結(jié)下梁子呢？這又是薛老師「一不小心」捅下的簍子。

在薛定諤「孿生粒子」的思想實驗中，兩個相距萬里的粒子，觀測出 A 的狀態(tài)，也就知道 B 的狀態(tài)，因為 A 和 B 都是一個母粒子分裂而成的， B 的狀態(tài)一定和 A 相反 。因為 A、B 兩個粒子的 命運緊密相連 ，牽一發(fā)而動全身，所以薛老師給起了個性感的名字：量子糾纏 。

這就好比如：母親把一雙鞋分給兄弟倆，他們各帶一只遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)。中國的哥哥打開盒子發(fā)現(xiàn)是左腳，就知道弟弟帶到美國的另一只一定是右腳?？瓷先?，這并沒有什么稀奇。

稀奇的是，根據(jù)量子力學(xué)的說法，弟弟那只鞋左還是右，不是他媽決定的，而是哥哥「打開盒子」的行為決定的。在哥哥看到左腳鞋的一瞬間，鞋里飛出一個神秘的信號，閃電般穿過千山萬水，通知美國的另一只鞋變成右腳！這個速度能有多快？無限快。但是，上帝允許無限快的瞬時傳送嗎？在這個宇宙中，沒有東西能超過真空光速。

不要說超過光速，就是試圖接近光速的行為，都會導(dǎo)致時空的畸變。宇宙的尺度是以「億光年」為單位計的，在恢宏的空間中，銀河系一邊發(fā)生的任何事情，不可能立即對彼岸的世界造成影響。

就算此時此刻太陽爆炸了，我們還能逍遙自在地活 8 分鐘，因為 8 分鐘后，光才來得及從太陽飛到地球。通過對粒子 A 的觀測，居然瞬間讓遠(yuǎn)方的粒子 B 的量子疊加態(tài)塌縮了——這被愛因斯坦斥為「幽靈般的超距作用」。

在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)界，「幽靈」是一個讓人聯(lián)想起偽科學(xué)的詞。不存在超光速，更不存在超距作用，因為這是相對論的大前提：局域性。如果量子糾纏允許超光速，那么，是量子力學(xué)錯了，還是已經(jīng)被無數(shù)次實驗證實的相對論錯了？在愛因斯坦看來，這壓根不是個問題。一雙鞋，倆兄弟當(dāng)時分到的就是哥左弟右；兩個粒子，在分裂的一瞬間 A、B 的狀態(tài)就是確定的。

塵埃落定之后，你愛怎么觀察就怎么觀察，為什么要信量子力學(xué)那一套「觀察決定實驗」的鬼話？只可惜，在量子面前，人類的直覺和常識又一次大錯特錯。

終極黑客：約翰·貝爾

超距作用（量子）vs 局域性（愛因斯坦），人們曾經(jīng)以為，這是個永遠(yuǎn)不會有答案的問題。因為如果做實驗驗證，這兩者根本沒法區(qū)分啊！比方說，先制備一對所謂的糾纏態(tài)粒子，然后一個運到北京，一個放在上海。我先測量到上海的 A 粒子自旋向上，然后打電話去問北京的同事：哥們，你那邊測下 B 是什么態(tài)？100% 是自旋向下！

愛因斯坦和量子理論都預(yù)言，B 的自旋一定和 A 相反。也就是說，僅憑測量是不可能區(qū)分兩種說法誰對誰錯的，這就好比兩個人都賭同一個球隊贏，如何分勝負(fù)呢？但是不測量，又怎么可能知道它在測量之前是什么？

顯然，這個問題無解。30 年過去，愛因斯坦、玻爾、薛定諤等一代宗師已經(jīng)成為逝去的傳奇，然而還是沒有人認(rèn)真思考過這個問題。也許這就是為什么，做出這個近代物理學(xué)最重要的大發(fā)現(xiàn)的人，不是某位著名的教授，而是一位當(dāng)時還默默無聞的工程師，也難怪當(dāng)他投稿之后，文章居然被雜志編輯「不小心」弄丟了，拖了一兩年才發(fā)表。

約翰·貝爾，36 歲提出「貝爾不等式」，歐核中心（CERN）加速器設(shè)計工程師，愛因斯坦的腦殘粉，業(yè)余愛好是研究量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論。我一直覺得，貝爾不像個正統(tǒng)科學(xué)家，更像個「物理學(xué)黑客」。

雖然和計算機(jī)黑客相比，他破解的是原子而非比特；但是，論及思維之獨特、技巧之高超、發(fā)現(xiàn)漏洞之敏銳，則是有過之而無不及。

眾所周知，粒子 A 的自旋一定和 B 相反；但貝爾發(fā)現(xiàn)，所有人都忽略了一件事：自旋在三維空間是有 3 個分量的。A 在 X 軸的自旋分量（Ax）如果向上，B 在 X 軸的自旋（Bx）一定向下，但是 B 在 Y 軸和 Z 軸上的自旋（By、Bz）呢？如果愛因斯坦的局域性理論是對的，By、Bz 應(yīng)該和 Ax 一毛錢關(guān)系沒有，但是用量子力學(xué)算出來的結(jié)果，卻有著微妙的區(qū)別：在某些情況下，By、Bz 和 Ax 之間竟存在著微弱的關(guān)聯(lián)！

其他科學(xué)家們看到「貝爾不等式」先是嗤之以鼻，接著目瞪口呆，最后是深深的悔恨。這個深藏 30 年的宇宙級 bug，就這樣被貝爾這位工程師挖了出來。

貝爾不等式的誕生，宣告了量子局域性之爭，從哲學(xué)思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學(xué)理論。20 年后（1982），法國人阿茲派克特（Aspect）第一個成功驗證了貝爾不等式，結(jié)論：量子力學(xué)獲勝，幽靈般的超距作用，是真的！

萬萬沒想到，實驗結(jié)果揭曉之后，最高興不起來的居然是貝爾本人。原來貝爾是愛因斯坦的忠實信徒，人家下班不約會而去搞不等式的目的，就是為了證明量子力學(xué)錯了！

之后，貝爾花了大半輩子的時間，試圖找出實驗的漏洞，直到去世之前還在思考如何修正局域性理論。當(dāng)然，這一切并沒有什么用。從阿茲派克特實驗至今 30 多年，人們在光子、原子、離子、超導(dǎo)比特、固態(tài)量子比特等許多系統(tǒng)中都驗證了貝爾不等式，所有的實驗無一例外，全部支持量子理論。

如今，除了層出不窮的民科，已經(jīng)沒有人懷疑量子世界的奇異和真實。但很多人還是忍不住會想，貝爾不等式什么的還是太抽象了，能不能親眼見證量子糾纏的魔力呢？

幽靈成像實驗

比起喜歡用數(shù)學(xué)公式講道理的貝爾，搞量子光學(xué)的史硯華可就實在多了。

我覺得，史教授 2008 年發(fā)明的「幽靈成像」，應(yīng)該是證明量子糾纏絕非幻想的最直觀的實驗。

幽靈成像的原理通俗易懂：先把紅光子和藍(lán)光子「糾纏」到一起，然后兩者分開各走各路。紅光穿過狹縫打出一定形狀的圖案，藍(lán)光不穿縫正常走。

實驗結(jié)果絕對震撼：明明沒有穿過狹縫的藍(lán)光，竟然也投射出了與紅光相同形狀的圖像！如果這個實驗?zāi)軌蛟?70 年做出來，我真想看看愛因斯坦的表情。

這次，你總不能說：光子在糾纏之前就已經(jīng)是那個形狀了吧！穿縫還是不穿縫，顯然是在光子出發(fā)后才決定的。發(fā)生在紅光子身上的所有事，藍(lán)光子也會分毫不差地經(jīng)歷一遍。

這樣看來，僅僅把量子糾纏比作龍鳳胎還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他們出生時珠聯(lián)璧合，長大成人之后仍然是生死與共！而且，通過改變紅光那邊狹縫的形狀，想讓藍(lán)光打出什么樣的圖案都可以。

這就意味著，我們可以遠(yuǎn)程發(fā)送圖像甚至視頻，而無論距離多遠(yuǎn)、哪怕從宇宙的另一端傳過來都是瞬時傳輸?shù)模舆t時間永遠(yuǎn)為 0。然而，這豈不是違反相對論（任何信息和物質(zhì)不能超過光速）的公理了嗎？并沒有！

雖然信息是瞬時傳送過來了，但要把其中的亂碼剔除，提取出真正的內(nèi)容，還是必須把圖像用不超光速的傳統(tǒng)方式再發(fā)一遍。讓愛因斯坦操碎了心的「超光速」問題，原來只是杞人憂天！

大自然就是如此微妙。宇宙的規(guī)則也許看似奇怪，內(nèi)在卻有著驚人的自洽性。我們只能說相對論和量子力學(xué)之間存在著理論上的矛盾，但從來沒發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律本身有自相矛盾的地方。

如果把宇宙看作一個產(chǎn)品，最令人細(xì)思恐極的是：無論狡猾的人類搗鼓出多么刁鉆古怪的實驗，這個同時在線用戶數(shù)高達(dá) 10的80次方（1 后面跟 80 個 0）的產(chǎn)品卻從來不會被搞出 bug。

如果宇宙真有一個產(chǎn)品經(jīng)理的話，請收下我卑微的膝蓋，順便想問一個問題是：為什么您的宇宙中會有量子糾纏呢？

量子糾纏背后的秘密

100 年前，量子力學(xué)的祖師爺玻爾說：如果誰沒有被量子力學(xué)驚到，那他肯定不懂量子力學(xué)。愛因斯坦：我思考量子力學(xué)的時間百倍于廣義相對論，但依然不明白。造出第一顆原子彈的費曼更直接：沒有人懂量子力學(xué)！學(xué)了 100 多年的量子力學(xué)，今天，我們懂了嗎？

墨子號首席科學(xué)家、中國量子通信第一人潘建偉說：「如果能搞清楚為什么有量子糾纏，我可以現(xiàn)在去死」，接著潘老師又說：「但是現(xiàn)在還沒搞清楚，所以我想活得長一點……」 考慮到潘院士今年才 46 歲，這句話似乎暗示著，我們在 50 年后都不一定能搞懂量子了。這些牛人說的「不懂」，可不是小學(xué)生學(xué)不會四則運算的那種「不懂」。

我們已經(jīng)搞清了微觀世界的所有基本規(guī)則，建立了強大的數(shù)學(xué)模型，算出來的理論預(yù)測和實驗結(jié)果分毫不差，但我們還只是一個拿到使用說明書的孩子，對于其意義和目的一無所知，莫名地好委屈。然而現(xiàn)在，越來越多的線索顯示，量子糾纏的背后，可能隱藏著一個巨大的秘密。

2013 年， 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，量子糾纏和蟲洞（蟲洞即愛因斯坦·羅森橋）在數(shù)學(xué)模型上非常相似。

他們猜想，量子糾纏也許就是一個微型蟲洞。量子糾纏中最神秘的現(xiàn)象「超距作用」其實并沒有超越光速，而是像蟲洞那樣穿越了時空。這就是為什么，孿生粒子能夠異地千里，同呼吸、共命運的真正原因。

而在 2010 年科學(xué)家們在獨立研究中，發(fā)現(xiàn)了更為驚人的線索。他們建立了一個類似真實宇宙的三維宇宙模型，一旦在模型中去掉量子糾纏，時間和空間就會被打亂成碎片。

正是無處不在的量子糾纏，像建筑物的鋼筋結(jié)構(gòu)件一樣，把本應(yīng)支離破碎的時空編織成了一個整體。

在有進(jìn)一步的實驗證據(jù)之前，我們無法評價這些猜想有多靠譜。但是令理論物理學(xué)家們心跳加速的是，各條獨立的線索似乎指向著同一個寶藏。

找到它，發(fā)現(xiàn)量子糾纏真正的秘密，就有可能理解在開天辟地、宇宙洪荒的大爆炸時刻，宇宙是怎樣被建造出來的。為了傳說中的真理 ，越來越多身懷絕技的人踏上了量子時代的大航海之路。有人說：哲學(xué)家們總是用各種方式解釋世界，但問題在于改變世界。

其實，科學(xué)和文明的高度，取決于我們對于世界理解的深度。通過認(rèn)識和理解世界，猿人把手中的石塊換成了自然規(guī)律，擁有了改天換日的力量。當(dāng)一群不食人間煙火的理工男在實驗室熱烈地爭論原子模型時，誰能想到，30 年后廣島在火海中的哭喊？自從 1900 年普朗克發(fā)明量子這個單詞至今，量子終于從哲學(xué)辯論會的題材，變成了魔法般的黑科技。

基于量子糾纏，可以造出比現(xiàn)在快 1 億倍的量子計算機(jī)，而超距作用和貝爾不等式，則把量子糾纏變成了加密通信領(lǐng)域的終極武器。改變世界的時刻真的到了！