解开量子纠缠束缚
为什么量子世界会有那种奇怪、诡异的行为。将近一个世纪前，物理学产生了量子力学，令人惊讶的成功，但又令人深思熟虑。
量子力学是一个关于物质和光在亚微观水平上如何表现的新理论。在20世纪20年代，量子力学的组成部分由海森堡和薛定谔等物理学家组装而成。与爱因斯坦的相对论一起，它成为现代物理学的两大支柱之一。
先驱们意识到，与他们在学校学到的经典物理学相比，他们所发现的新世界确实非常奇怪。如今，这种陌生感为物理学家所熟悉，而且对量子计算等技术越来越有用。
这种奇怪的现象有一个名字，它被称为纠缠。但人们对它的理解仍然很有限。为什么量子世界会有这种奇怪的行为，我们认为我们已经解决了这个难题的一个核心部分。
1935年，奥地利物理学家埃尔温-薛定谔首次明确描述并命名了纠缠。在两个量子粒子发生相互作用后，不能再像经典物理学所允许的那样，将它们视为相互独立。正如当代物理学家在《量子力学》序言中所说，人们可以知道关于一个系统的一切，而对其各个部分一无所知。
这里有一个简单的比喻。例如，如果我们想对一个两手牌的扑克游戏的现状进行完整的描述，我们只需给出两张五张牌的描述。还有什么比这更明显的呢？
但在量子力学中，由于某些原因，明显的东西不起作用。
薛定谔说，对两个粒子的量子描述是 \"纠缠 \"的，这个名字就这样留下来了。当两个各自都是最大已知的分离体来相互作用，然后再次分离，那么这样的知识纠缠经常发生。纠缠的全部怪异性并没有立即显现出来。
薛定谔在其他地方总结说，纠缠不是\'量子力学的一个特征，而是量子力学的一个特征\'。许多物理学家现在都同意。苏斯金德说它是\'量子力学的基本事实\'，而史蒂芬-温伯格在他的《量子力学讲座》中写道，它是\'也许是它最古怪的特征\'。
纠缠的全部怪异性并没有立即显现出来，而且薛定谔本人也没有完全活到最后。对他来说，纠缠的怪异之处在于它禁止用部分来描述一个双粒子系统。他认为这具有重要的后果，特别是因为它推翻了已经成为正统观点的量子力学告诉我们关于微观世界的观点。
这种正统观点是所谓的哥本哈根解释，由丹麦物理学家尼尔斯-玻尔提出。玻尔认为，在量子系统被测量之前，将其视为具有明确的属性是无稽之谈。像之前的爱因斯坦一样，薛定谔认为纠缠证明了玻尔的错误。
为了掌握爱因斯坦-薛定谔的论点，请考虑两只扑克牌，现在有一些牌面朝下，被隐藏起来。这场游戏的状态不能再用已知的牌来描述。至少从表面上看，这看起来像纠缠，一个完整的量子系统不能用已知的碎片来描述。
当一方的额外牌被揭开时，它会改变我们对另一方的了解。如果红桃皇后出现在左边的那只手上，那么我们就知道它不是右边那只手上的隐藏牌之一。纠缠的粒子也是如此。观察一个粒子会给我们关于另一个粒子的新知识，即使它离我们很远。
爱因斯坦和薛定谔认为，这意味着在测量之前，这些量子系统中隐藏着一些东西--这些东西没有被完全描述，也不被玻尔的观点所允许。
如果测量一个附近的粒子让我们了解到一个关于远处粒子的新事实，这个新事实一定已经存在，尽管最好的描述并不包括它。
附近的测量正在以某种方式改变远处的粒子。薛定谔认为这是荒谬的，对分离系统的测量不能直接影响彼此，那将是魔术。它为真正的信徒提供了一个温柔的枕头，他不容易被唤醒\'。
1961年，薛定谔在维也纳去世。仅仅三年后，北爱尔兰物理学家约翰-贝尔认为，如果预测是正确的，那么薛定谔的魔法就真的发生了。当我们有纠缠在一起的粒子时，对其中一个粒子的测量可以对另一个粒子产生微妙的影响，尽管它们在原则上可能相隔光年。
贝尔把这种魔力称为非局域性。如今，它经常与爱因斯坦的短语 \"远距离幽灵行动 \"联系在一起，尽管爱因斯坦也没能活着看到贝尔的结果。当爱因斯坦在1947年写给物理学家马克斯-博恩的信中抱怨远处的幽灵作用时，他想到的是正统解释中的另一个奇怪的特征。
贝尔论证的重要性花了一些时间来沉淀。该领域必须首先摆脱爱因斯坦在1928年写给薛定谔的所谓 \"海森堡-波尔的镇静哲学如此精巧地设计，暂时为真正的信仰者提供了一个温柔的枕头，他不容易被唤醒\"。
但在量子世纪的下半叶，纠缠逐渐成为该领域的主要关切之一。它在理论上、实验上以及越来越多的技术上都是绝对的核心。纠缠是使量子计算机不同于其经典表亲的原因。这一转变的一个主要动机是贝尔的工作。现在正在发生的量子革命，以及所有这些量子技术，这百分之百要归功于密尔定理。
贝尔认为，如果预测是正确的，那么非局域性是不可避免的。但是这些预测是正确的吗？回答这个问题需要一些非常微妙和困难的实验，涉及类似于薛定谔在1935年讨论的那些双粒子系统。由于它们受到贝尔工作的启发，它们被称为 \"贝尔实验\"。
大多数贝尔实验使用光子，即光的基本量子成分。一对光子被一起产生，它们的属性以薛定谔描述的方式纠缠在一起。每个光子都被发送给两个物理学家中的一个，他们通常被称为爱丽丝和鲍勃。爱丽丝和鲍勃各自从几个可用的测量中选择一个这被称为选择一个测量环境。
每个测量产生一个结果，可能是1或0，取决于光子从测量设备中出现的方式。因此，实验的每一次运行产生四个数字：两个设置和两个结果。一次又一次的重复，实验产生了一个长长的结果表，每一行都有这四个数字。
贝尔意识到，这些实验结果，正如QM所预测的那样，看起来相当奇怪。事实上，非常奇怪，只要有几个额外的假设，他就可以证明这些结果是不可能的。主要的假设是薛定谔的魔法是不被允许的--贝尔把这个假设称为定位性。
，如果QM的预测毕竟是正确的，这对位置性来说是个坏消息。这就是量子理论的真正问题与基本相对论的明显本质冲突。
花了几十年时间，但我们现在知道，QM确实是正确的。一些最有说服力的贝尔实验是最近在2015年进行的。
2022年，在量子百年的十年里，诺贝尔物理学奖被授予了这些实验的三位先驱者， 阿兰-阿斯佩克特、约翰-克劳瑟和安东-泽林格。正如诺贝尔奖的颁奖词所说，该奖表彰了他们的 \"纠缠光子的实验，确立了对贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学\"。
结合这些实验，贝尔的分析似乎暗示了爱因斯坦和薛定谔认为荒谬的那种远距离的神奇作用。认为它荒谬的一个原因是，它似乎与爱因斯坦自己的相对论的一个核心原则相冲突，没有什么东西能比光更快。
贝尔很清楚这种紧张关系，在QM和相对论之间，\"在最深的层次上，存在着明显的不相容性\"。对我来说，\"这就是量子理论的真正问题与基本相对论的明显本质冲突。40年过去了，这个冲突还没有解决。
阿斯佩克特、克劳瑟和泽林格以及其他许多人的工作无疑证实了纠缠是真实的。纠缠在其最奇怪的方面得到了证实。但这些实验并没有告诉我们纠缠是什么，或者它来自哪里。在这个意义上，纠缠仍然像以前一样神秘。为什么世界会以这种奇怪的方式组合在一起？
研究提出了一个令人惊讶的简单答案。我们生产纠缠的配方只用了四种成分。所有这些成分都是现成的，尽管不得不承认，在一种情况下，是来自货架的一个偏远角落。
以前还没有人注意到它们可以以这种方式结合起来，为量子世界最诡异的特征带来新的启示。
让我们从主要成分开始。它被称为对撞机偏见，对于在社会学、心理学和医学等领域使用统计学的科学家来说，这是众所周知的。
最早明确描述它的作者之一是约瑟夫-伯克森，他是梅奥诊所的物理学家、医生和统计学家。
在20世纪40年代，伯克森注意到医学中使用的统计推理的一个重要错误来源。在某些情况下，对病人样本的选择会在他们的医疗条件之间产生误导性的关联。
简化伯克森自己的例子，医院C病房收治的所有病人都有类似的症状，由两种罕见的感染之一引起，即病毒A或病毒B。C病房专门治疗这些症状，所以所有病人至少有其中一种疾病。
少数人可能两种都有，但病房里所有没有感染病毒A的人都肯定有病毒B，反之亦然。
从表面上看，这些关联性可能表明，避免一种病毒会导致另一种病毒的感染。这种明显的因果关系并不真实。
它是选择样本的方式的一个假象。C病房的病人是一个非常有偏见的样本。在普通人群中，接种A型病毒疫苗并不会使你更有可能感染B型病毒。
这意味着，如果一个在C病房的A病毒患者对自己说，\'我在C病房，所以，如果我没有感染A病毒，我就会感染B病毒\'，那么他就犯了一个错误。
如果他没有感染病毒A，那么很可能他就不会感染这两种病毒，他也就不会被送进病房。看起来这些原因似乎是相互影响的，但其实不然。
这种统计效应现在被称为称碰撞者偏见。对撞机一词来自因果模型，即从统计数据中推断原因的科学。
因果建模者使用被称为有向无环图的图，由箭头连接的节点组成。节点代表事件或事务状态，箭头代表这些事件之间的因果关系。
当一个事件有两个独立的原因时，它在DAG中被显示为两个箭头 \"碰撞 \"的节点。被收治到C病房有两个原因，分别来自两种病毒感染。
如果我们只是看一下碰撞器的事件发生的案例样本，我们往往会看到两个独立的原因之间存在着关联性。
看起来这些原因是相互影响的，但它们不是。这是一个选择的伪命题，正如因果建模者所说。这就是对撞机偏见。
相关性源于对撞机上的事件取决于这两个原因的方式--在我们的简单例子中，它需要一个原因或另一个。
我们想把对撞机的偏见带向物理学的方向--最终，带向阿斯佩克、克劳瑟和泽林格获得诺贝尔奖的实验方向。我们想为这些实验以及其他量子纠缠的案例中可能发生的事情提出一个解释。
我们将通过一系列的玩具例子来达到目的。对于其中的第一个例子，想象两个物理学家，爱丽丝和鲍勃，玩石头、剪刀、布的游戏。
对于任何不知道这个游戏规则的人来说，在每个回合，爱丽丝和鲍勃各自选择这三个选项中的一个，并将他们的呼叫发送给第三个观察者查理。
就像这个游戏的通常版本一样，石头打败剪刀，剪刀打败纸，而纸打败石头。查理把结果列出来： 爱丽丝获胜，鲍勃获胜，或者是平局。
假设查理喜欢爱丽丝，不喜欢鲍勃。因此，他遵循的政策是，当鲍勃获胜时，扔掉大部分的结果。在剩下的 \"官方 \"结果中，爱丽丝赢的次数比鲍勃多得多。
如果爱丽丝真的对鲍勃的选择有一些影响，那么这种相关性看起来就是这样的--就好像爱丽丝选择剪刀使得鲍勃选择石头的可能性大大降低，等等。
如果爱丽丝和鲍勃相距甚远，这看起来就像薛定谔的魔法。但这并不涉及真正的爱丽丝到鲍勃的因果关系。这只是对撞机的偏见在起作用。
考虑到查理的政策，对撞机上的事件--无论他是保留还是丢弃结果，都受到爱丽丝的选择和鲍勃的选择的影响。
假设在某一轮游戏中，爱丽丝选择了纸，鲍勃选择了石头。就像在医疗案例中一样，如果爱丽丝说，\'如果我选择了剪刀，鲍勃可能就不会选择石头了\'，这就是一个错误。
她正确的说法是，\'如果我选择了剪刀，那么查理很可能就会放弃这个结果。所以我的选择可能对查理的决定有影响，但对鲍勃的选择没有影响。
现在来看看我们的第二个成分。这是所有成分中最不熟悉的，尽管它也已经在货架上，如果你知道去哪里找的话。
在我们自己的工作之外，它没有一个既定的名字。我们称它为约束对撞机。我们将用 \"石头、布、剪子 \"游戏来解释它是什么。
在刚才描述的游戏版本中，查理只能通过丢弃一些结果来支持爱丽丝。让我们来看看，如果我们在不丢弃任何结果的情况下将游戏设计成对爱丽丝有利的，会发生什么。
在我们的世界里，这是不可能自然发生的，所以，现在让我们想象一下它的超自然发生。假设上帝也喜欢爱丽丝而不是鲍勃，所以他调整了现实，给她一个优势。也许他安排了一些事情，使她在星期天玩游戏时不会输。
上帝是如何做到这一点的，这对我们的故事来说并不重要，因为在这一点上，我们的故事并不需要是现实的，但这里有一种可能性。
在一个所谓的 \"决定论 \"宇宙中，所发生的一切都由时间开始时的初始条件决定。如果上帝可以选择初始条件，并且确切地知道这些条件的结果，他可以简单地选择初始条件，使爱丽丝在星期天永远不会输。
来自：胡关外
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