爱因斯坦又赢了？「量子纠缠」百年谜团有望解开

Dr.KwokShiuMing郭兆明博士

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爱因斯坦又赢了？

「量子纠缠」百年谜团有望解开

美国科普网站「生活科学」（livescience）7月31日报导，量子纠缠（Quantum Entanglement）的本质一直是物理学中悬而未决的问题。简单来说，量子纠缠指的是两个粒子即使相隔遥远距离，也能彼此影响，就像双胞胎的心灵感应一样。但爱因斯坦（Albert Einstein）理论，加上量子计算的洞察力，最终可能会解开这个谜。

自1925年量子力学诞生以来，尽管为人类带来了诸如雷射、核磁共振扫描仪和计算机芯片等革命性技术，但其核心基础问题，如量子纠缠的本质，始终未有定论。

美国伊丽莎白镇学院（Elizabethtown College）物理学教授史塔基（William Mark Stuckey）指出，量子信息科学近年来的蓬勃发展，为解开这些谜团提供了全新的研究思路，而其中一个极具潜力的方向，便是将爱因斯坦的相对论（Theory of Relativity）应用于量子位元（qubit）的研究。

量子位元是量子计算的核心单元，其与传统计算机位元的最大区别在于，传统位元只能呈现0或1的二元状态，而量子位元利用量子叠加的特性，可以对无限多个查询产生二元响应。更令人惊奇的是，透量子纠缠，多个量子位元可以相互关联，形成一种强大的计算能力，远远超越传统计算机。然而，究竟是什么力量或原理促成了量子纠缠，科学界一直莫衷一是。

史塔基教授的团队提出了一个大胆的假设，他们认为爱因斯坦的相对论可能是解开这个谜团的关键。相对论是爱因斯坦提出的关于时空和引力的基本理论，其中一个重要的概念是相对性原理，简而言之，它指出无论你在哪里、朝哪个方向看，或移动速度有多快，物理定律都应该是一样的。

透过将相对论与量子信息论相结合，史塔基教授团队试图从讯息原理的角度，而非传统的力学角度，来解释量子纠缠现象，并避免了对超光速作用力的依赖，从而与爱因斯坦的相对论保持一致。

如果史塔基教授团队的假设最终得到证实，那将会是量子力学发展史上的一个重要里程碑。这不仅意味着我们可以从更深层次上理解量子纠缠的本质，也将为量子计算的发展打开全新的局面。届时，那些曾经只存在于科幻小说中的场景，例如超光速通讯、瞬间移动等，或许都将成为现实。

量子纠缠是量子力学中一个非常神秘和引人入胜的现象。它描述了两个或多个粒子在量子态上形成的某种特殊的联系，使得即使它们相隔很远，一个粒子的状态改变也能即时影响到另一个粒子的状态。这种现象在爱因斯坦、波多尔斯基和罗森于1935年提出的EPR悖论中被首次提出，爱因斯坦甚至将其称为"鬼魅般的远距作用"（spooky action at a distance）。

尽管量子纠缠的概念在物理学界已经存在了将近一个世纪，但其背后的原理和机制仍然是一个未解之谜。量子纠缠的存在挑战了我们对经典物理世界的理解，因为它似乎违反了相对论中的信息不能超光速传播的原则。然而，量子纠缠并不违反相对论，因为虽然纠缠粒子之间存在即时的关联，但这种关联并不能用来传递信息，所以它并不违反因果律。

近年来，随着量子信息科学的快速发展，特别是量子计算的兴起，量子纠缠的研究得到了新的推动。量子计算利用量子位元（qubit）作为信息的基本单位，与传统的二进制位元不同，量子位元可以同时处于0和1的叠加状态，这使得量子计算机在处理某些特定类型的问题时，拥有远超传统计算机的计算能力。

史塔基教授和他的团队在美国伊丽莎白镇学院进行的研究，尝试将爱因斯坦的相对论与量子位元的研究相结合，以期找到解释量子纠缠的新途径。他们提出的假设是，通过将相对论的原理应用于量子信息论，可能能够从一个新的角度解释量子纠缠现象。这种方法避免了对超光速作用力的依赖，从而与相对论保持一致。

量子纠缠的研究对于量子计算的发展至关重要。量子计算机的运算能力在很大程度上依赖于量子位元之间的纠缠关系。通过更好地理解量子纠缠，科学家们可以设计出更高效的量子算法，提高量子计算机的性能。此外，量子纠缠还可能在量子通信、量子加密和量子传感等领域发挥重要作用。

如果史塔基教授团队的假设能够得到实验验证，这无疑将是量子力学发展史上的一个重大突破。它将为我们提供一种全新的视角来理解量子纠缠的本质，同时也可能推动量子技术的发展，使我们能够实现那些曾经只在科幻小说中出现的概念，如超光速通讯和瞬间移动等。

然而，量子纠缠的研究仍然充满挑战。量子系统的脆弱性使得维持和测量量子纠缠状态非常困难。此外，量子纠缠的产生和维持需要极其精确的控制条件，这在实际应用中是一个巨大的技术难题。尽管如此，科学家们对量子纠缠的探索从未停止，他们不断尝试新的理论和实验方法，希望能够揭开这一自然界中最奇妙的现象之一的神秘面纱。

量子纠缠的研究不仅限于基础科学领域，它还与我们的日常生活紧密相关。例如，在量子通信中，量子纠缠可以用于实现无条件安全的通信方式。通过量子纠缠，可以构建量子密钥分发系统，使得通信双方能够共享一个安全的密钥，而这个密钥的安全性是由量子力学的基本原理保证的。

此外，量子纠缠在量子计算中的应用也日益广泛。量子算法，如Shor算法和Grover算法，利用量子纠缠来解决大整数分解和数据库搜索等问题，其效率远超传统算法。随着量子计算机技术的不断进步，我们有望在未来看到量子计算机在药物设计、材料科学、优化问题等领域发挥重要作用。

总之，量子纠缠是一个充满神秘和潜力的领域。虽然我们对它的理解还远远不够，但随着量子信息科学的不断发展，我们有理由相信，量子纠缠的秘密终将被揭开，它将为我们带来前所未有的科技革命。