即将上映的漫威电影《奇迹》讲述了量子纠缠。这是它的工作原理

　　如果你看过漫威电影宇宙即将上映的预告片《奇迹》（The Marvels），它汇集了漫威最杰出的三位英雄，惊奇队长、惊奇女士和莫妮卡·兰博——你可能听说过“纠缠”的简短提及。

　　在描述电影最初的困境时，由Teyonah Parris饰演的Rambeau将三位英雄的力量描述为“纠缠在一起”，当他们试图使用它们时，他们似乎交换了位置。如果不是因为Rambeau和Marvel女士的能力是基于光的，而纠缠的量子现象也许最好用光子或光粒子来证明，这可能是一条一次性的线。

　　因此，提到纠缠将电影的情节与量子物理学中最违反直觉和看似神秘的方面之一联系起来。

　　在它诞生之初，纠缠对物理学家来说是如此令人不安，以至于阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）曾经向物理学家马克斯·玻恩（Max Born）描述它为“spukhafte Fernwirkungen”，或者用英语来说，是“远距离的幽灵动作”。

　　由于没有超级英雄可以寻求答案，大众力学转向了下一个最好的事情：查德·奥尔泽尔（Chad Orzel），纽约斯克内克塔迪联合学院物理与天文学系的副教授，解释了纠缠是什么以及为什么它如此令人不安。

　　要发现为什么纠缠是物理学家关注的问题，首先必须确定它是什么。

　　“纠缠的想法是，你可以让这些量子系统可以分成两个地方，比如两个粒子，它们有一些共同的性质，”Orzel说。“量子力学中也有这样一种说法，在你真正测量它们之前，这些状态应该是不确定的。

　　要考虑这一点，请考虑一种称为“自旋”的量子特性，您可以将其视为角动量的磁性版本。如果纠缠配对中的一个粒子“向上”旋转，那么另一个粒子必须“向下”旋转。但是，这里有一个问题：当你从纠缠实验中发出这些粒子时，既不会向上旋转也不会向下旋转 - 它们的自旋尚未确定。

　　它需要测量或与另一个物理系统（如磁场）的相互作用，使一个粒子具有自旋值。当这种情况发生时，伙伴粒子会立即承担相应的值。这并不可怕，对吧？错。这确实非常可怕，或者至少在大约100年前。

　　你看，这个即时动作发生在远处——任何距离。即使粒子位于宇宙的两端，被大约930亿光年的鸿沟隔开，它也会瞬间发生。

　　两个纠缠的量子粒子的插图。

　　马克·大蒜/科学照片图书馆//盖蒂图片社

　　“系统状态之间的这种相关性似乎不尊重粒子之间的距离。无论粒子相距多远，做一些事情来确定一个粒子的状态也会决定另一个粒子的状态，“Orzel解释说。“这个想法确实混淆了我们对世界应该如何运作的经典图景。

　　爱因斯坦特别担心，因为他在1905年提出的一种称为“狭义相对论”的理论明确地取决于这样一个事实，即宇宙对有质量的粒子有一个速度限制，这限制了信息交换的速度。这个极限是真空中的光速，大约每秒300亿米（3 x 10? m/s或3后跟8个零m/s）。

　　因此，根据这个规则，如果第一个粒子假设自旋值为“向上”，那么宇宙另一侧的第二个粒子应该知道要到930亿年后才能使自己“向下”。这甚至没有考虑到宇宙正在迅速膨胀的事实。

　　对爱因斯坦来说，纠缠传达的信息很明确：他认为它证明了量子物理学是一个不完整的理论。这位伟大的物理学家提出了量子系统中必须存在所谓的“隐藏变量”的观点。爱因斯坦和其他物理学家认为，当纠缠系统被创建时，这些隐藏变量就会存在，并将决定系统将采用什么状态，从而消除量子不确定性和量子系统令人不安的随机性。

　　这保留了“局部现实主义”的概念，自其诞生以来，它一直是经典或“确定论”物理学的核心。很简单，局部现实主义是由两个原则组成的：“真实”意味着物体具有独立于测量的明确属性，“局部”意味着只有物体的周围环境才能影响它——在狭义相对论中混合意味着没有影响比光快。

　　在这个问题上的反复进行了大约30年，许多量子物理学家对量子现象采取了“闭嘴和计算”的方法，在大多数情况下，将理论的更多哲学含义放在一边。直到1960年代中期，欧洲核子研究中心物理学家约翰·贝尔（John Bell）开始深入思考测量量子系统并发现它们以某种方式相关意味着什么。

　　“贝尔设计了一种情况，在这种情况下，你可以测试爱因斯坦希望拥有的那种确定性理论，”Orzel说。“贝尔证明了这个定理，现在被称为'贝尔定理'，这表明在具有确定变量的状态中，你可能得到的结果是有限的。

　　在此之后的三十年里，物理学家们开始试图通过违反所谓的贝尔不等式来通过实验来证实或反驳贝尔定理，如果隐藏变量潜伏在系统中，这是不可能的。这些物理学家中最重要的是John Clauser，Alain Aspect和Anton Zeilinger。2022年，三人组因确立了对贝尔不等式的侵犯而获得诺贝尔物理学奖，这表明纠缠确实违背了地方现实主义。

　　“这让每个人都相信，这种奇怪的量子元素，'这里'的测量决定了'那里'的测量结果似乎是绝对正确的，”Orzel说。“这既奇怪又有趣，它让物理学家真正弄清楚这样做的后果是什么。这成为量子信息场的基础，从80年代开始，量子信息场真正在实验意义上起飞。

　　从 1935 年到 1990 年代，纠缠才“成为主流”，但在此之后，这个曾经“诡异”的自然方面的潜在实际应用开始出现。

　　当《奇迹》于 2023 年 11 月上映时，其名义上的英雄可能会利用纠缠现象来对抗宇宙威胁，但在地球上，在现实世界中，纠缠可以用来解决更平凡但重要的问题，如隐私和机密性。事实上，纠缠对于漫威电影宇宙中塞缪尔·杰克逊饰演的超级间谍尼古拉斯·J·弗瑞（Nicholas J. Fury）和惊奇队长这样的宇宙英雄一样有用。

　　Orzel描述了如何在量子密码学中使用纠缠来扰乱和解码广泛分离的发送方和接收方之间的消息，分别被规范地称为“Alice”和“Bob”。

　　“爱丽丝和鲍勃有一组纠缠粒子，他们可以通过约翰贝尔设想的测量来比较它们，”Orzel说。“爱丽丝得到一个由一和零组成的随机字符串[例如，如果一个”向上“的自旋值对应于一个一，而”向下“对应于一个零），她可以确认鲍勃有一个相应的一和零的字符串。

　　通过应用一些数学运算，这个随机的数字串可以转换为爱丽丝和鲍勃独有的键。为了了解这如何有效，我们可以介绍每部优秀的间谍惊悚片或漫威电影都需要的东西：对手。在这种情况下，威胁的不是灭霸、康或洛基，而是一个叫做“夏娃”的闯入者，意为“窃听者”。

　　夏娃试图拦截爱丽丝和鲍勃之间的量子密钥的传递，这样她就可以解释他们之间传递的消息。然而，夏娃被挫败了，因为测量解决了鲍勃和爱丽丝使用的粒子的量子态。这意味着当 Alice 和 Bob 相互检查随机的 1 和 0 集时，他们发现它们不再相关。因此，他们知道他们的密钥已被拦截，他们可以丢弃它。

　　然而，Orzel指出，以这种方式传输的内容存在很大的限制。他说，由于量子系统的状态是完全随机和不确定的，爱丽丝无法提前选择她将发送给鲍勃的“信息”。

　　还记得爱因斯坦如何怀疑量子力学是不完整的，因为信息不应该能够瞬间传输吗？量子力学的随机性意味着，当测量粒子时，粒子之间的瞬时传输不能以可用的方式传输信息。

　　“爱丽丝可以做测量，但她没有权力影响测量结果，”奥尔泽尔补充道。“所以她可以测量这个粒子，它要么是零，要么是一。然后鲍勃将相应地有一个 1 或一个 0。但她无法选择她想要的数字。没有办法用它来发送消息。

　　纠缠也很难使用，因为它很容易被干扰。Orzel举了一个例子，用光的光子来测量纠缠，光子可以在某些方向上偏振，水平偏振为1，垂直偏振为零。

　　“纠缠很容易被破坏，因为如果我把一个光子从一个地方发送到另一个地方，并且它被发送出去时假设你要进行垂直和水平测量，并且沿途的某些东西旋转了光子的偏振，这不是一件难事，”他说。“当你在另一端进行测量时，看起来没有相关性。但看起来没有相关性，因为你不再做正确的测量了。

　　“这是一件微妙的事情，它没有被打破;光子没有解开。只是它们没有与你一开始的同一套测量纠缠在一起。

　　纠缠可能不像1935年那样神秘，但与我们日常的宇宙图景相比，它肯定仍然是违反直觉的。凭借其主动无视距离和启动即时行动的能力，难怪它被选为宇宙麦格芬，将来自漫威宇宙两端的超级英雄聚集在一起。

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