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文|碎舟寒
编辑|碎舟寒
序言
自人类探求自然奥秘以来，量子化学学仍然是最为令人着迷和晦涩的领域之一，在这神秘的领域里，我们遭受到了许多令人吃惊的现象，其中最引人瞩目的莫过分“量子纠缠”。
在量子世界中，两个或更多的粒子，无论它们之间的距离有多么遥远，虽然都能顿时互相影响，如同它们之间存在着一种赶超时空的神秘联系，这么，量子纠缠是否还能赶超光速传递信息？
量子纠缠的基本原理
量子热学是研究微观世界的数学学理论，它描述了微观粒子（如电子、光子和原子）的行为和性质，在量子热学中，粒子的状态用波函数表示，波函数包含了有关粒子位置、动量和其他性质的信息。
量子态是描述一个量子系统的状态，可以用波函数表示，对于两个或更多个量子系统，它们的状态可以通过张量积建立下来，但是，这些简单的张量积并不总能描述量子系统之间的复杂关系。
量子纠缠是一种特殊的量子态，其中两个或多个粒子之间被紧密联系在一起，以至于无论它们之间的距离有多远，它们的状态之间都存在着互相关联。
当我们对一个处于纠缠态的粒子进行检测，其量子状态将会顿时与另一个纠缠粒子的状态相对应地坍缩，这些量子纠缠的现象被称为“量子非局域性”，由于信息虽然以赶超光速的方法进行传递。
Bell不方程与量子非局域性
贝尔不方程是拿来检验量子系统是否满足局域隐藏变量理论的物理不方程，局域隐藏变量理论觉得，量子系统的状态在检测前就早已确定。
纠缠现象只是由于我们对系统了解不完全所形成的错觉，但是，贝尔不方程的实验结果表明了量子系统的非局域性，即量子纠缠现象难以通过局域隐藏变量理论来解释。
因为Bell不方程的遵守，我们得出推论：量子纠缠是量子热学的基本特点之一，它展示了量子世界与我们日常经验截然不同的奇妙联系，这些神奇的纠缠现象在量子估算、量子通讯和量子密码等领域有着潜在的革命性应用。
实验观测：量子纠缠的验证
量子纠缠的实验验证是量子化学学中的一个重要里程碑，早在1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森等人提出了“EPR悖论”。
即对一对纠缠粒子进行检测后，它们的状态会顿时互相关联，不论它们之宽度离多远，但是，当时因为技术的限制，对纠缠现象的实验验证并未得到进一步的推动。
直至20世纪80年代之后，随着量子技术的进步，科学家们开始有能力制备和控制纠缠态，因而进行实验观测，实验室中的量子纠缠验证成为了一个热门研究领域，并形成了一系列令人惊奇的结果。
实验室中的纠缠态制备与检测
在实验室中，制备纠缠态是一个关键的步骤，常用的方式是借助光子对的自发热阻下转换（SPDC）过程，通过非线性晶体可以形成纠缠光子对，再者，超导量子比特、离子阱和量子点等也被用于实现纠缠态的制备。
为了验证纠缠现象量子通讯协议，科学家们一般采用贝尔态检测，这是由约翰·贝尔提出的一组检测，用于确定两个粒子是否处于纠缠态。
通过对大量的纠缠态进行检测和数据统计，实验结果表明，这种纠缠态违背了贝尔不方程，进而否认了量子纠缠现象的存在。
量子纠缠现象的实验验证除了证明了量子热学的非局域性，也为量子信息科学带来了新的前景，在量子通讯领域，纠缠态可以用于量子秘钥分发，实现安全的量子通讯。
在量子估算领域，纠缠态可以用于量子比特之间的量子并行运算，加速量子估算的过程，再者，量子纠缠还可以用于制备高精度的量子传感和量子图象传输等领域。
其实我们早已在实验室中验证了量子纠缠的存在，但始终有一些未解之谜等待我们去探求，比如，纠缠态是否还能保持长时间，以及是否存在更多未知的量子纠缠类型等问题。
纠缠之谜：跨越时空的联系
量子纠缠的最令人着迷之处在于它虽然才能跨越时空进行“量子隐型传态”，当两个粒子处于纠缠态时，无论它们之间的距离有多远，它们的状态之间其实都存在着瞬时的联系。
在实验中，当我们对其中一个纠缠粒子进行检测并改变其状态时，另一个纠缠粒子的状态也会顿时急剧改变，如同信息以赶超光速的形式传播。
这些现象违反了相对论的光速限制，引起了许多科学家对量子纠缠的解释和理解进行深入剖析，即使我们难以借助这些跨越时空的联系进行传统意义上的信息传递，但量子隐型传态的研究为量子通讯和量子网路等领域带来了新的可能性。
虽然量子纠缠具有跨越时空的神秘联系，但实际应用中却存在着一些限制，纠缠态的保持是一个重要问题，随着两个纠缠粒子之间的距离降低，深受环境干扰和量子退相干等影响，纠缠态的保持时间会降低，因而限制了远距离量子通讯的可行性。
量子纠缠也遭到相对论效应的影响，当两个纠缠粒子坐落不同的参考系中时，因为相对论效应造成的时间延后，它们之间的纠缠联系可能会出现扭曲或失去，这促使量子纠缠的研究愈发复杂，须要在理论和实验上进一步深入探求。
尽管量子纠缠的跨越时空的联系依然存在许多疑点，但其背后的奇妙联系也让人不禁着迷，在纠缠粒子之间其实存在一种无法解释的信息传递机制，这挑战了我们对于现实世界本质的理解。
量子纠缠与信息传递
量子纠缠在量子通讯中饰演着重要角色，一种应用是量子秘钥分发，亦称为量子秘钥分发合同（Key,QKD）。
通过纠缠态，通讯双方可以创建一组共享的量子秘钥，因为纠缠态的特殊性质，任何对这种量子秘钥的监听或检测就会造成秘钥的破坏，因而保证通讯的绝对安全性。
另一个应用是量子远程通讯，亦称为量子隐型传态，在这些通讯合同中，两个距离较远的节点可以借助纠缠态传输量子信息，而无需直接传递量子粒子本身，这为量子网路的搭建和远程量子操作提供了可能性，有望在未来的量子互联网中发挥重要作用。
量子纠缠的存在对加密和安全通讯形成了深远的影响，传统的加密方式基于物理困局，如因式分解，但在量子计算机的恐吓下，这种方式可能显得便于攻陷，量子秘钥分发（QKD）的出现为信息安全提供了全新的保障，它可以保护通讯的隐私和完整性。
借助量子纠缠，我们还可以实现“量子隐秘共享”，在这些合同下，多个参与者之间可以共享一个秘密，但只有在所有参与者都到齐时，这个秘密才会被剖析，假如有人企图单独获取其中一部份信息，纠缠态的破坏将立刻被察觉，确保了信息的安全性。
构建量子纠缠网路是一个令人激动且具有挑战性的目标，这将是一个复杂的任务，须要高度稳定的量子设备和先进的量子通讯技术，同时，量子纠缠的保持时间和距离限制一直是须要克服的问题。
一旦成功建立了量子纠缠网路，它将具有革命性的影响，量子网路将带来超高速、超安全的通讯和估算能力，促使量子互联网的发展，再者，量子纠缠网路还有望在量子传感器、量子检测和量子模拟等领域带来重大突破。
其实在建设量子纠缠网路方面面临许多挑战，但科学家们正积极探求和研究，相信在未来不久的时间里，我们接见证量子纠缠网路成为信息传递领域的巨大推进力，推动人类步入量午时代的全新境界。
量子纠缠与宇宙结构
量子纠缠与黑洞信息悖论是一个引人注目且饱受争议的问题，在量子热学中，信息不能被完全捣毁，而黑洞却被觉得是信息的“信息吞噬者”。
按照黑洞的风波视界理论，任何掉进黑洞的信息都将永远没法逃逸，这引起了与量子热学中信息守恒定理的冲突，也就是黑洞信息悖论。
一些研究者提出，量子纠缠可能是解决黑洞信息悖论的关键，按照这个观点，黑洞内部的信息与黑洞外部的纠缠态之间存在着微妙的关联。
一种可能的解决方案是，黑洞内部的信息通过纠缠态传递到黑洞外部，保留了量子信息的特点，但是，这个问题目前一直是量子引力研究的重要前沿之一，急切须要更深入的探求和理论突破。
在宇宙尺度上，量子纠缠和量子涨落也与宇宙结构密切相关，宇宙背景幅射中的涨落是宇宙结构产生的起源，这种涨落源自于宇宙初期量子涨落的放大，这种涨落在宇宙膨胀的过程中逐步产生了宇宙的大尺度结构，如星体团、星系和星际空间。
量子纠缠在宇宙尺度上也可能发挥着重要作用，一些理论模型提出，宇宙中的大尺度结构可能由纠缠态所联接，在这些观点下，宇宙的演进过程与纠缠态的产生和传播密切相关，纠缠将不同的宇宙区域联系在一起，产生宇宙网路的结构。
在宇宙演变的过程中，量子纠缠可能在多个方面发挥重要作用，宇宙早期的量子涨落和纠缠态的产生可能影响了宇宙结构的演变，而在宇宙黑洞等高能天体的产生和演变中，纠缠态的研究也可能阐明着新的数学学规律。
在宇宙尺度上，量子纠缠也可能是宇宙信息传递和通讯的一种机制，通过纠缠，宇宙中的不同区域可以实现信息的传递和联系，可能在宇宙间产生愈加复杂和有机的结构。
目前我们对于宇宙尺度上量子纠缠的理解一直较为有限，这是一个饱含挑战和潜力的研究领域，通过深入探求量子纠缠与宇宙结构的关系，我们也许将愈发全面地理解宇宙的起源、演化和本质。
参考文献：
周亮,&徐光华.(2018).量子纠缠与量子隐型传态.数学学进展,38(4),437-452.
李忠,&邓洪波.(2021).量子纠缠及其在量子通讯中的应用.电子科技学院学报,50(3),355-363.
陈德智,&段勇军.(2019).纠缠态与非局域性.数学学进展,39(4),495-511.
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