量子纠缠现象的的探索

超过120亿年前，加速的光粒子留下了一个非常明亮的天体，称为类星体，并开始了漫长的旅程，朝着一个尚不存在的行星前进。超过40亿年后，更多的光子离开了另一个类星体，进行了类似的跋涉。随着地球及其太阳系的形成，生命的发展以及人类开始研究物理学，粒子继续前进。最终，他们用一对望远镜降落在拉帕尔玛岛的加那利岛上，这是为实验测试现实的本质而设置的。

该实验旨在研究量子纠缠，这种现象以我们的宏观，经典世界无法实现的方式连接量子系统。当两个粒子（如一对电子）纠缠在一起时，如果不了解另一个粒子就无法测量一个粒子。它们的性质，例如动量和位置，有着千丝万缕的联系。

澳大利亚国立大学理论物理学家迈克尔·霍尔说：“量子纠缠意味着您不能仅用局部描述来描述您的联合量子系统，而每个局部系统只能描述一个。”

纠缠首先出现在一个由爱因斯坦（Albert Einstein）进行的思想实验中。爱因斯坦和两位同事在1935年的一篇论文中表明，如果量子力学完全描述了现实，那么对纠缠系统的一部分进行测量将立即影响我们对另一部分未来测量的了解，似乎比信息传输的速度快。光，根据所有已知物理学都是不可能的。爱因斯坦称这种效应为“远距离的怪异动作”，这暗示了新兴的量子力学科学的根本错误。

几十年后，量子纠缠已被实验一次又一次地证实。虽然物理学家已经学会了控制和研究量子纠缠，但他们还没有找到一种机制来解释它或就其对现实本质的意义达成共识。

加州大学圣地亚哥分校的天体物理学家安德鲁·弗里德曼（Andrew Friedman）说：“纠缠本身已经被验证了很多很多年，”他从事类星体实验，也被称为“宇宙钟形测试”。“真正的挑战是，即使我们知道这是一个实验性现实，我们也没有令人信服的关于其实际工作原理的故事。”

贝尔的假设

量子力学世界-在最小的尺度上控制宇宙行为的物理学-通常被描述为极其奇怪。根据其定律，自然的构成要素同时是波浪和粒子，在空间中没有确定的位置。需要外部系统观察或测量它们，以促使它们“选择”确定的状态。纠缠的粒子似乎会立即影响彼此的“选择”，无论它们有多远。

爱因斯坦对这些想法非常不满意，以至于他提出了经典的“隐藏变量”，超出了我们对量子力学的理解，因此，如果我们理解了它们，将不会使纠缠变得那么恐怖。在1960年代，物理学家约翰·贝尔（John Bell）设计了一种针对具有此类隐藏变量的模型的测试，称为“贝尔不等式”。

贝尔概述了关于世界的三个假设，每个假设都有相应的数学陈述：现实主义，说物体具有无论是否被观察都保持其属性的属性；局部性，即没有什么可以影响到足够远的东西，以至于它们之间的信号传播需要比光快。选择自由，这意味着物理学家可以自由进行测量，而不受隐藏变量的影响。探查纠缠是检验这些假设的关键。如果实验表明自然遵守这些假设，那么我们生活在一个我们可以经典理解的世界中，而隐藏的变量只会造成量子纠缠的幻觉。如果实验表明世界不跟随它们，那么量子纠缠是真实的，而亚原子世界确实像看起来那样奇怪。

弗里德曼说：“贝尔所表明的是，如果世界遵守这些假设，那么纠缠粒子测量的相关性就会有一个上限。”

物理学家可以测量粒子的性质，例如粒子的自旋，动量或极化。实验表明，当纠缠粒子时，这些测量的结果在统计上比在经典系统中预期的结果更相关，这违反了贝尔的不等式。

在一种贝尔测试中，科学家将两个纠缠的光子发送到彼此相距较远的探测器。光子是否到达检测器取决于其极化。如果它们完全对齐，它们将通过，但否则，根据对齐角度，它们很可能会被阻塞。科学家们希望了解纠缠的粒子是否以相同的极化缠绕的频率要比经典统计学所解释的更多。如果这样做的话，至少贝尔的假设之一在本质上是不正确的。如果世界不遵循现实，那么在测量之前就无法很好地定义粒子的属性。如果这些粒子可以瞬间相互影响，那么它们相互之间的通讯将比光速快，

长期以来，科学家一直推测，如果世界不遵循贝尔的前两个假设（现实主义和局部性）中的一个或两个，则可以最好地解释先前的实验结果。但是最近的工作表明，罪魁祸首可能是他的第三个假设-选择自由。也许科学家对让光子进入的角度的决定并不像他们想象的那样自由和随意。

类星体实验是测试选择自由假设的最新方法。科学家根据他们从两个遥远的类星体中检测到的光的波长（分别确定为7.8和122亿年前）确定了允许光子进入检测器的角度。在决策中，长距离旅行的光子取代了物理学家或传统的随机数生成器，从而消除了地球对实验的影响，无论是对人类还是其他方面的影响。

在测试结束时，研究小组发现纠缠的光子之间的相关性要比贝尔定理所预测的世界高得多。

这意味着，如果某个隐藏的经典变量实际上在确定实验的结果，则在最极端的情况下，必须在人类存在之前就已经确定了测量的选择，这意味着量子“怪异”确实是结果一切都已预先确定的宇宙

霍尔说：“这对许多人来说并不令人满意。” “他们真的是说，如果是在很早以前就建立的，那么您将不得不尝试用预定的选择来解释量子相关性。生命将失去一切意义，我们将停止物理学。”

当然，物理学在前进，纠缠保留了许多要探究的谜团。除了缺乏对纠缠的因果解释之外，物理学家还不了解测量纠缠系统是如何突然将其还原为经典的，无纠缠的状态，或者纠缠的粒子是否实际上以某种方式进行了交流，他们继续在新的实验中探索奥秘。

巴西国际物理研究所的博士后研究员加布里埃拉·巴雷托·莱莫斯（Gabriela Barreto Lemos）表示：“没有信息可以立即从这里传播到那里，但是对量子力学的不同解释将同意或不同意存在某种隐性影响。” “但是我们大家都同意在相关性和统计方面定义这个定义。”

寻找奇怪的东西

深入了解纠缠可以帮助解决实际和根本的问题。量子计算机依靠纠缠。量子加密是一种理论上无法破解的安全措施，它还需要对量子纠缠有充分的了解。如果隐藏变量有效，则量子加密实际上可能是可破解的。

纠缠可能是物理学中一些最基本问题的关键。一些研究人员一直在研究具有大量纠缠粒子而不是简单成对纠缠的材料。当这种多体纠缠发生时，物理学家会观察到除了熟悉的固体，液体和气体之外的新的物质状态，以及在其他任何地方都看不到的新的纠缠模式。

马里兰大学物理学家布莱恩·斯温格（Brian Swingle）说：“它告诉你的一件事是，宇宙比你以前所想的要丰富。” “仅仅因为您拥有电子集合，并不意味着物质的最终状态必须像电子一样。”

这些有趣的特性从这些材料中显现出来，物理学家开始意识到，纠缠实际上可以将时空本身缝合在一起-这有点讽刺意味，就像爱因斯坦在相对论中首次将时空联系在一起时，他非常不喜欢量子力学。但是，如果理论证明是正确的，那么纠缠可以帮助物理学家最终达到他们的最终目标之一：实现一种量子引力理论，该理论将爱因斯坦的相对论世界与神秘而看似矛盾的量子世界结合在一起。

“即使我们不相信会发现任何奇怪的事情，进行这些实验也很重要，” Lemos说。“在物理学中，革命是我们认为自己不会发现奇怪的东西，然后我们找到了。所以你必须这样做。”