如何通俗易懂得解释量子纠缠理论

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人类有科技以来，从来没有量子力学这样的理论，连业内人士自己都觉得糊涂、不可思议、难以理解。怎么不可思议？不仅违背常识，而且是荒唐。比如波粒二象性，比如量子纠缠。

今天咱说说，什么叫量子纠缠。量子纠缠，就是两个光子之前超距离互相感知的事情。这里就不搬弄理论了，咱还是举例来说。

比如说，咱手上有一幅手套，左手和右手。然后放入两个不同的盒子里。在现实中，大家都知道，盒子里放的什么手套，是确定无疑的。比如说，咱盒子甲放的左手，盒子乙放的右手。

可是在量子世界中，这事就不确定了。什么意思？就是说，虽然咱将两个手套（光子）放入不同的盒子，可是盒子里的手套是左手还是右手（光子自旋），是不确定的，可能是左手，也可能是右手。打开盒子甲，如果看到左手，那么盒子乙就是右手，反之亦然。

说到这里有人就愤怒了：难道盒子里的手套不是确定的吗？怎么可能是左手也可能是右手？其实不要说阁下愤怒，也不要说吾这种低智商人士，就是量子理论的科学家都觉得不可思议。可是这就是量子世界啊。

那么，这个想法到底对不对？有人提出了贝尔不等式，来确定盒子里的手套是确定的，还是不确定的。如果成立，就证明盒子里的手套是确定的，否则就是不确定的。结果呢？在宏观世界当然是成立的，而在量子世界，这个不等式确实不成立。这是何等的。。。

这不科学！

其实呢，科学本身并不科学，而是“假说”。只是能解释现象，指导实践，就是科学。量子理论有这样那样的荒唐，可是实实在在的指导微观实践。

比超算快亿亿亿倍，量子计算机能干啥？为何以“祖冲之”命名？

量子力学认为事物（量子体系）是处于叠加态的（真正的量子体系的确是处于叠加态），而我们观测时我们总能得到一个确定的结果，并且我们一但对事物（量子系统）进行观测后它就会不再处于叠加态（观测对事物（量子系统）造成了影响）而是处于一个确定的结果，这也是测量产生了结果的来源，在没观测（测量）前事物（量子系统）是处于叠加态的，它的态是随机的，而不是确定的结果。

举个例子:

例如我们在摇骰子，在我们还没观测（看骰子）前骰子处于“叠加态”，我们观测时会随机得到1到6其中一个结果，一但我们观测后无论你再怎么看骰子都是那个点数，不再具有随机性。我只是用骰子举例希望你能明白，但是骰子是经典物体，不具有量子的特性，当我们停止摇了骰子后它就已经是一个确定的结果了，无论我们观测与否它都已经确定了，但是量子系统却不一样，我们还为未观测前它一直都处于叠加态，就像我们还未打开盖看骰子时骰子一直都在摇着那样。

哥本哈根学派认为事物（量子系统）在观测前是处于叠加态的，它的结果具有随机性。

爱因斯坦反对这种说法，认为事物（量子系统）在观测前就已经确定了，就像我们摇骰子那样，我们一但不摇骰子后无论我们观测与否它都已经确定了，如果知道骰子所有的初始信息和我们摇骰子的力度及方向和时间等我们甚至可以计算出结果，经典物理体系也是这么认为的，只要知道所有的信息我们便可以计算出事物演变的结果。为此老爱还说了一句特别有名的话“我不相信上帝会掷骰子”。

该如何理解量子纠缠现象，变化一书中的观点对吗？

近期，我国在超导量子和光量子两种系统的量子计算机方面取得了重要的进展，成功构建113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”，和66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”。 在光量子和超导量子两种系统的量子计算方面取得的重要进展，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

量子就是质量、能量等各种物理量的最小单元，而且它也要以某种粒子状态存在。如果说到能量，比如光，一个光子就是一个量子。

量子计算机它是 利用量子力学的原理 ，量子力学它可以允许一个物体同时处于多种状态，那么比如说0和1同时存在，它可以做一个原理上叫做并行计算，就是很多个任务可以一起完成，因此它就有了这样一种超越经典计算机的计算能力。

正因为量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力，可望通过特定算法在一些具有重大 社会 和经济价值的问题方面（如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等）相比经典计算机实现 指数级别的加速 。

作为最有希望实现可拓展量子计算的候选者之一，其核心目标是如何同步地增加所集成的量子比特数目以及提升超导量子比特性能，从而能够高精度相干操控更多的量子比特，实现对特定问题处理速度上的指数加速，并最终应用于实际问题中。“祖冲之号”和“祖冲之二号”就是可编程超导量子计算原型机。

“祖冲之号”

“祖冲之号”是包含62个比特的可编程超导量子计算原型机，并在该系统上成功进行了二维可编程量子行走的演示。研究团队在二维结构的超导量子比特芯片上，观察了单粒子及双粒子激发情形下的量子行走现象，实验研究了二维平面上量子信息传播速度，同时通过调制量子比特连接的拓扑结构的方式构建马赫-曾德尔干涉仪，实现了可编程的双粒子量子行走。该成果为在超导量子系统上实现量子优越性展示及可解决具有重大实用价值问题的量子计算研究奠定了技术基础。

“祖冲之二号”

“祖冲之二号”是66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，求解“量子随机线路取样”任务的速度比目前全球最快的超级计算机快1000万倍以上，这使得中国成为目前唯一在两条技术路线上达到“量子优越性”里程碑的国家。

研究人员介绍，“祖冲之二号”的并行高保真度量子门操控能力和完全可编程能力，有望找到有实用价值的应用，预期包括量子机器学习、量子化学等。

很多时候，说到量子，并且跟能量绑在一起说的时候，大家就喜欢用“光”来举例。一个光量子，就是指的一个量子。这个概念是在1905年被爱因斯坦引入到光学里的，后来大家熟知的以及如今的“九章”所使用的“光子”，实质上就是这个“光量子”。

“九章号”

“九章号”是76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机。“九章”处理特定问题的速度比目前世界排名第一的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，同时也等效地比谷歌发布的53比特量子计算原型机“悬铃木”快一百亿倍，成功实现了量子计算领域的第一个里程碑——量子计算优越性。“九章号”量子计算原型机确立了我国在国际量子计算研究中的第一方阵地位，为未来实现规模化量子模拟机奠定了技术基础。

“九章二号”

“九章二号”是113个光子144模式的量子计算原型机。求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍），在研制量子计算机之路上迈出重要一步。

据悉，未来的通用型量子计算机可望在密码破译、天气预报、材料设计、药物分析等领域发挥作用。目前的“九章二号”还只是“单项冠军”，但其超强算力，在图论、量子化学等领域具有潜在应用价值。

“九章号”和“祖冲之号”分别是为了纪念中国古代最早的数学专著《九章算术》和我国古代伟大的数学家祖冲之而命名的。

《九章算术》

《九章算术》是中国古代的数学专著，是“算经十书”（汉唐之间出现的十部古算书）中最重要的一种。魏晋时刘徽为《九章算术》作注时说:“周公制礼而有九数，九数之流则《九章》是矣”，又说“汉北平侯张苍、大司农中丞耿寿昌皆以善算命世。苍等因旧文之遗残，各称删补，故校其目则与古或异，而所论多近语也”。根据研究，西汉的张苍、耿寿昌曾经做过增补。最后成书最迟在东汉前期，但是其基本内容在西汉后期已经基本定型。

《九章算术》是几代人共同劳动的结晶，它的出现标志着中国古代数学体系的形成．后世的数学家，大都是从《九章算术》开始学习和研究数学知识的。唐宋两代都由国家明令规定为教科书。1084年由当时的北宋朝廷进行刊刻，这是世界上最早的印刷本数学书。所以，《九章算术》是中国为数学发展做出的杰出贡献。

祖冲之

祖冲之一生钻研自然科学，其主要贡献在数学、天文历法和机械制造三方面。

数学方面，他在刘徽开创的 探索 圆周率的精确方法的基础上，算出圆周率（π）的真值在3.1415926和3.1415927之间，相当于精确到小数第7位，简化成3.1415926，祖冲之因此入选世界纪录协会世界第一位将圆周率值计算到小数第7位的科学家。祖冲之还给出圆周率(π)的两个分数形式：22/7（约率）和355/113（密率），其中密率精确到小数第7位。祖冲之对圆周率数值的精确推算值，对于中国乃至世界是一个重大贡献，后人将“约率”用他的名字命名为“祖冲之圆周率”，简称“祖率”。

祖冲之写过《缀术》五卷，被收入著名的《算经十书》中。在《缀术》中，祖冲之提出了“开差幂”和“开差立”的问题。“差幂” 一词在刘徽为《九章算术》所作的注中就有了，指的是面积之差。“开差幂” 即是已知长方形的面积和长宽的差，用开平方的方法求它的长和宽，它的具体解法已经是用二次代数方程求解正根的问题。而“开差立”就是已知长方体的体积和长、宽、高的差，用开立方的办法来求它的边长；同时也包括已 知圆柱体、球体的体积来求它们的直径的问题。所用到的计算方法已是用三次方程求解正根的问题了，三次方程的解法以前没有过，祖冲之的解法是一项创举。

两个粒子的外部信息是共同的，一个纠缠量子动了，另外一个纠缠粒子便会互动。它们的内外部信息是一体的，永远没有距离，彼此不分。量子纠缠是一个内外信息的问题，小粒子可以纠缠，大粒子也可纠缠，两个纠缠的粒子信息是一样的。如果来了一个新粒子和其中的一个发生纠缠，就必须信息同化，自然多余的信息就给了那落单的粒子了。在外来粒子取代原有粒子的同时，在外部信息改变中，粒子内部信息同时发生改变。

知识拓展：

量子纠缠（quantum entanglement），或称量子缠结，是一种量子力学现象，是1935年由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的一种波，其量子态表达式：其中x1，x2分别代表了两个粒子的坐标，这样一个量子态的基本特征是在任何表象下，它都不可以写成两个子系统的量子态的直积的形式。定义上描述复合系统（具有两个以上的成员系统）之一类特殊的量子态，此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积（tensor product）。

量子纠缠技术是安全的传输信息的加密技术，与超光速传递信息相关。尽管知道这些粒子之间“交流”的速度很快，但我们目前却无法利用这种联系以如此快的速度控制和传递信息。因此爱因斯坦提出的规则，也即任何信息传递的速度都无法超过光速，仍然成立。实际上的纠缠作用并不很远，而且一旦干涉其中的一方，纠缠态就会自动消除。

理论产生

从19世纪末到20世纪初，量子力学快速发展并完善起来，解决了许多经典理论不能解释的现象，大量的实验事实及实际应用也证明了量子力学是一个成功的物理理论。但是关于量子力学的基本原理的理解却存在不同的解释。

众多的物理学家在自己观点的指引下，对量子力学的基本解释提出了自己的看法，主要有三种：传统解释、PTV系统解释和统计解释，这三种解释之间既有区别又有联系。

传统解释出发点是量子假设，强调微观领域内每个原子过程或基元中存在着本质的不连续，其核心思想是玻尔的互补原理（并协原理），还接受了玻恩对态函数的概率解释，并把这种概率理解为是同一个粒子在给定时刻出现在某处的概率密度。PTV系统解释的代表是玻姆，这种解释试图通过构造各种隐变量量子论来寻找量子力学的决定论基础，即为态函数的概率解释建构决定论的基石，目的是在微观物理学领域内恢复决定论和严格因果性，消除经典世界同量子世界的独特划分，回到经典物理学的预设概念，建立物理世界的统一说明。统计解释认为态函数是对统计系统的描述，量子理论是关于系统的统计理论，这个系统是由全同地（或相似的）制备的系统组成，不需要一个预先确定的动力学变量的集合，是一种最低限度的系统解释。

上面讲到三种观点之间，是既有联系又有区别，正是由于各方都坚持己见，才有了著名的爱因斯坦与玻尔之间的论战。（爱因斯坦说：“上帝不掷骰子。”玻尔说：“亲爱的爱因斯坦不要指挥上帝做什么。”）量子纠缠才被爱因斯坦以一个悖论的疑问提出。量子纠缠就此提出。

1927年9月，玻尔在科摩会议中首度公开地演讲他的互补原理，由于他采用了大量的哲学语言来阐释互补原理，使大家感到震惊与困惑。当时大多数人对于测不准关系及互补原理的深刻内涵还不大明了。几个星期后在布鲁塞尔举行的第五届solvya会议，包括玻尔、爱因斯坦、玻恩、薛定谔、海森堡等世界最著名的科学家都出席了这项盛会。玻尔在会议中重述了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦并未参加科摩会议，因为目前地球上面能干扰量子纠缠的环境基本没有，他出席了也没有任何的证明量子学还是在他的知识理论下。但他知道，量子纠缠在黑洞，及更小的等级时绝对会干扰量子纠缠，这还是他首次听到玻尔亲自阐述互补原理和对量子力学的诠释。

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