量子纠缠
“量子”课程第 4 课，共 23 课。免费，有动画和小测验。
两个粒子共用一个状态
量子纠缠是指两个粒子没有各自的状态，只有一个共同的状态。比如一对量子比特：单看每个都是 50/50，但两个答案总是一样。测第一个得到 0，第二个哪怕远在一千公里外，也会得到 0。每个答案都是随机的，但它们之间的联系牢不可破。纠缠是量子计算机最重要的资源：没有它，量子比特就只是一堆各自独立的硬币。
会不会只是袜子？
物理学家莱因霍尔德·伯特曼总穿两只颜色不同的袜子。看到左脚是粉色，你立刻就知道右脚不是。没有魔法：颜色是他早上选好的，你只是发现了。1935 年爱因斯坦认为粒子也是这样：答案早就藏在里面，量子理论只是不完整。他把这种远距离的瞬时关联叫作“鬼魅般的超距作用”。要判断谁对，需要一个巧妙的测试，它在 30 年后才出现。
贝尔测试：大自然对决袜子
1964 年，约翰·贝尔设计了一个测试。两名玩家各拿一个粒子和一个随机问题，彼此不能交流。如果答案像袜子颜色一样事先定好，最多只能赢 75% 的回合。用纠缠粒子，能赢约 85%。实验一次又一次测出超过 75%，2015 年代尔夫特的团队堵上了最后的漏洞。2022 年，阿斯佩、克劳泽和蔡林格因这些实验获得诺贝尔奖。爱因斯坦错了：答案并不是事先定好的。
超光速通讯？不行
既然关联是瞬时的，能不能用它超光速发消息？不能。爱丽丝测自己的粒子，看到的是随机的 0 和 1；鲍勃那边看到的也是随机的 0 和 1。爱丽丝没法影响鲍勃那边出什么。只有两人对比记录时才看得出一致，而对比需要普通渠道：电话、互联网。所以纠缠并不违反爱因斯坦的光速规则。要是短视频里吹“零延迟量子通讯”，那是假的。
穿越太空的纠缠
2017 年，中国的“墨子号”卫星在 500 公里高的轨道上，把纠缠光子分别发到中国两座山上的地面站，两站相距 1203 公里。光子对保持了纠缠，贝尔测试再次通过。同一颗卫星还完成了北京—维也纳的视频通话，用的是量子方式生成的加密密钥。这叫量子密钥分发：只要有人窃听，测量就会留下痕迹，窃听会被发现。中国和欧洲的银行和政务网络已经在测试这类网络。
自测一下
- 爱丽丝测自己的粒子得到 1，鲍勃会得到什么？
正确答案: 也是 1. 这一对共用一个状态：“答案一致”。距离无关，鲍勃的结果会和爱丽丝一样。 - 能用纠缠瞬间传消息吗？
正确答案: 不能：单看每一边都是纯噪声. 爱丽丝控制不了结果。只有通过普通渠道对比记录后才看得出一致，而这个渠道不会比光快。 - 贝尔测试的实验证明了什么？
正确答案: 答案并不是事先藏在粒子里的. 如果有事先准备的“小抄”，最多赢 75%。纠缠粒子能赢约 85%，实验证实了这一点，2022 年的诺奖就是为此颁发的。