基本介紹
- 中文名：量子纏結
- 外文名：Quantum Entanglement
- 別名：量子糾纏
- 發展時間：1935年
- 帶別人物：Schrodinger、Einstein等
- 學科：信息科技
簡述,歷史回顧,量子糾纏態,
簡述
量子纏結是在1935年分別由Schrodinger及Einstein、Podolsky、Rosen在質疑量子力學的完備性時提出的。量子力學中，兩個以上的粒子（包括兩個以上的光子）組成的系統中的每個粒子可看做子系統。各子系統的量子狀態之間可以是無關的，也可以是相關但可分離的，還有的是相關而且是不可分離的。
量子糾纏也是在量子通信中進行量子信息測量出現的非常嚴重的現象，即在量子測量中測量者與被測量子信息之間形成的主客體糾纏。我們可把測不準原理，退相干事件等量子糾纏的問題都聯繫起來，從而了解到測量是如何干擾被測客體的行為的，以便能夠成功的實行量子通信和量子離開物體的傳遞。
量子糾纏指的是2個或多個量子系統之間存在非定域、非經典的強關聯。量子糾纏涉及實在性、定域性、隱變數以及測量理論等量子力學的基本問題，並在量子計算和量子通信的研究中起著重要的作用。
量子測量中出現所謂的主客體糾纏，測不準原理明確表明是測不準微觀粒子的確切位置的，並且測量之後，被測量子態已被測量所改變。因此，對於量子通信的量子信息的測量要涉及到所稱的相干測量和非相干測量2個概念的。
歷史回顧
糾纏一詞最早出現代表在德文中。Schrodinger稱其為“Verschrankung”。他也是最早意識到糾纏奇怪特性的人之一。在開始的例子中，想像一下不是強盜而是由一個原子來決定是否開槍。假如原子發生了衰變，它將扣下扳機；如果沒有發生衰變，則槍將不會開火。一個自然的問題就是，如果原子處於疊加的狀態“已衰變一未衰變”將意味著什麼呢?是不是槍也將進入一個“開火一未開火”的疊加態?而這個時候，可憐的出納員將處於怎樣的境地?他會不會同時處於存活和死亡兩個狀態呢?在Sehrodinger考慮的例子中，他也被類似的情況所困擾，只不過此時的受害者是密封在盒子中的一隻貓，而盒子中衰變的原子將觸動釋放致命化學物質的扳機。問題是在日常生活中，我們見不到“死了一活著”的貓，或者是“死了一活著”的出納員。但是原則上，如果我們期望量子力學成為一門完備的理論來描述我們在每一個層面上的經驗（包括巨觀與微觀等），那么這樣奇怪的狀態必然是可能的。而這種奇怪的狀態就稱為量子糾纏。但是究竟在何處奇怪的量子世界終止了而通常的經典世界開始起作用?這是在理論界爭論了數十年的問題，由此而產生了許多不同的關於量子理論的解釋。這個問題開始受到重視起源於1935年由Einstein，Podolsky以及Rosen合作的一篇著名的論文。在這篇論文中，他們認為量子糾纏奇怪的行為意味著量子力學不是一個完備的理論，因此必然存在一些稱為“隱變數”的參數沒有被發現。這引起了Einstein和Bohr之間著名的辯論。與Einstein相反，Bohr堅持認為量子力學是完備的，Einstein的問題源於他照表面的意思曲解了量子理論。
然而，在1964年和1966年，Bell指出，對某些特定的實驗，從經典的隱變數理論出發將得到和從量子力學出發完全不相同的預測結果。事實上，Bell發表了一個定理表明量子粒子之間的糾纏可以如此之強，以至於超出了經典理論所能容許的程度，即使承認隱變數也無法地解釋這個問題。這就使得用實驗來驗證量子力學是否正確變為可能。人們做了很多實驗，幾乎所有的實驗結果一致表明，量子力學的預測是對的。所以，簡單地解釋糾纏相關是不可能成立的。惟一一種沒有在實驗中得到否證的是所謂的“非定域性”，也就是說，糾纏雙方的操作對對方的影響有可能是不同步的。但是更多的科學家認為，“非定域性”實際上也是成立的。
最近，特別是從20世紀90年代開始，量子信息科學得到蓬勃發展。量子糾纏不再僅僅被看成一個謎團，而開始被視為一種非常有用的資源使用在通信上。舉一個例子來說明它的套用。假設有兩個人，Alice和Bob，彼此離得非常遠。他們希望能夠互相傳送訊息。在1993年，Bennett等人證明，假如Alice和Bob每人持有兩個糾纏在一起的粒子中的一個，那么一個量子態將可以完好無損地從Alice傳送到Bob，整個過程只需要Alice給Bob傳送很少量的比特數；而如果沒有量子糾纏的話，Alice將需要傳送幾乎無窮多的比特數給Bob，才能將要傳的量子態完整地描述出來，從而Bob才有可能重構出要傳的量子態。這個過程稱為“量子狀態的遠程傳送”。它不僅與用來傳送信息的比特數有關，還與所謂的糾纏比特有關。一個糾纏比特實際上就是兩個具有最大糾纏相關的粒子。進一步的研究發現，糾纏在超密編碼、量子密碼以及降低通信複雜性方面都可以被用作信息資源。類似於通常的物理資源，糾纏也是一種可操作的資源。在特定的條件下，通過局域的操作可以將具有較低糾纏的狀態提純為具有較高糾纏的狀態。反過來，具有較高糾纏的狀態還可以被稀釋成數目較多的具有較低糾纏的狀態。
對量子糾纏的研究是非常活躍的領域，關於這方面的綜述，可以參考Nielsen以及Chuang的專著。特別地，在如何精確地度量糾纏、如何定義並刻畫多體糾纏以及如何對糾纏進行操作、糾纏和熱力學的關係等方面已經取得了許多富有成效的成果。
量子糾纏態
這種由相關而且是不可分離的兩個或者兩個以上的子系統的量子狀態所構成的系統的狀態稱為量子糾纏態(quantum entangled state)。在物理上，糾纏態意味著非定域性，即不能由各個子系統的定域操作來實現；在數學上，糾纏態意味著其系統總的密度矩陣無法分解為各個子系統的態的直積態的凸和形式，具有不可分離性和不可分解性。
量子信息與經典信息的深層次區別就在於量子糾纏的性質和套用。量子糾纏沒有經典對應，因此，量子糾纏態就簡稱為糾纏態(entanglement)，有時也稱為交纏態。其最為突出的性質有以下四點：
(1)非局域相關性。子系統的局域狀態不是相互獨立的，對一個子系統的測量會獲取另外子系統的信息。
(2)量子相干性。量子比特可以處於兩個本徵態的疊加態，在對量子比特的操作過程中，兩態的疊加振幅可以發生量子干涉現象。
(3)量子不可克隆性。量子力學的線性特性禁止對任意量子態實行精確複製，這也是由測不準關係所導致的量子糾纏特性所決定的。
