【科學史沙龍】量子糾纏的故事:從惡夢到美夢

量子糾纏是量子力學中的一個奇特現象，它描述了兩個或更多個量子粒子之間的連接，這種連接使得粒子的狀態無論相隔多遠都相互依賴。量子糾纏的概念最初是由愛因斯坦和他的同事波多爾斯基、羅森在1935年提出的，他們用這個概念來質疑量子力學的完備性。愛因斯坦將量子糾纏稱為「鬼魅般的遠距作用」，並用它來批評量子力學，認為這違反了物理學中普遍接受的定域性原則。

愛因斯坦的批評基於一個思想實驗，後來被稱為EPR悖論。這個悖論指出，量子力學似乎允許一種超距作用，即一個粒子狀態的改變可以瞬間影響另一個相隔很遠的粒子的狀態，這似乎違反了光速是信息傳遞最快速度的相對論原理。愛因斯坦認為，這種遠距作用是量子力學不完備的證據，可能存在一種未知的隱藏變量理論，可以解釋量子糾纏而不需要超距作用。

然而，量子力學的創立者之一，如薛定諤，則認為量子糾纏是量子力學的一個基本特徵，而不是一個問題。在量子力學中，量子糾纏被視為一個自然現象，它不涉及任何形式的超距作用，而是量子態的一種基本特性。

隨著量子力學的發展，量子糾纏的概念逐漸被接受，並在量子信息科學中找到了新的應用。量子糾纏是量子計算和量子通信的基礎，它允許進行超越傳統計算的能力的信息處理，以及提供理論上不可破譯的通信方式。

在20世紀80年代，量子力學的這些非定域性特徵開始被視為一種資源，可以用於創建更安全的通信系統，即量子密碼學和量子通信。量子糾纏也被用於量子計算，其中量子位元（qubits）可以同時表示0和1的狀態，這使得量子計算機在處理某些類型的問題時比傳統計算機更有效。

總之，量子糾纏從愛因斯坦的「惡夢」，即對量子力學完備性的質疑，轉變為量子信息科學的「美夢」，成為了創建更安全、更高效的信息處理和通信系統的關鍵。量子糾纏的科學探索和應用開發仍在進行中，它仍然是量子物理學中最具挑戰性和最令人興奮的領域之一。