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而量子纠缠 ， 是两个量子的组合的某种奇特的叠加态 ， 它们之间“冥冥中自有定数”——一旦其中一个量子被观测 ， 另一个量子的状态也会立刻被知晓 。 再次用猫咪举例便是：我有两只被关在密闭盒子里的猫 ， 它们都处在“生”或“死”的叠加态 ， 而且它们是“纠缠”在一起的 ， 即如果我打开一个盒子 ， 看到了一只叠加态坍缩为“死”的猫 ， 那么另外一个盒子里的猫的叠加态也会坍缩 ， 而且一定坍缩为“生” 。
这种量子纠缠是不受距离限制的 ， 是“非定域性”的 。 即便是一只猫在地球上 ， 另一只猫在宇宙的另一角 ， 这种奇特的联系仍然会瞬时发生 。 爱因斯坦将这种跨越空间的量子纠缠现象称为“鬼魅的超距作用” ， 他对此感到忧心忡忡 ， 转而提出“定域隐变量理论”来解释这种神奇的联系 。
为了验证孰对孰错 ， 物理学家贝尔提出了一个不等式和一个实验方法 ， 如果实验结果符合不等式 ， 那么就支持爱因斯坦的“定域性”理论；如果实验结果违背了不等式 ， 则驳斥了爱因斯坦的“定域性”理论 。
可惜 ， 实验结果并没有站在爱因斯坦这边 ， 量子力学中的这种“鬼魅的超距作用”是真实存在的 ， 量子纠缠确实是“非定域性”的 。 实验是检验真理的唯一标准 ， 真理来自于严密的实验结果 ， 即便提出反对的是爱因斯坦 。
实验结果表明 ， 这次爱因斯坦错了 。 图片来自墨子沙龙
直至今日 ， 许多科学家仍然在进行着贝尔提出的这个量子纠缠实验：将两个纠缠态量子放在足够远的距离 ， 随后进行观测 ， 看看得出的观测结果是否符合贝尔不等式 。 同样 ， 我国也在云南丽江和青海德令哈两个地面站之间进行了量子纠缠实验 ， 并且是全世界最远——相距 1200 千米的量子纠缠实验 。
“墨子号”的作用 ， 就是在太空中向这两个地面站发射一对纠缠的量子 。 这个实验的成功 ， 为将来我国基于量子纠缠的量子保密通信打下了基础 。 2020 年 ， 墨子号实现了基于纠缠的千公里级量子保密通信 。
通过“墨子号”卫星进行量子纠缠分发 ， 来验证贝尔不等式 。 图片来自墨子沙龙 。
重点五
量子隐形传态是什么？
可以实现远程物质传输吗？
在回答这个问题前 ， 我们先来看一个异地恋小故事：
有一对情侣 A 和 B ， 其中 B 比较恶毒 ， 但双方依然进行着异地恋 ， 相互“纠缠” 。 同时 ， 他们有两个共同的朋友 C 和 D ， 分别在两地观察着 A 和 B 。
有一天 ， A 遇到了 X ， X 不像 B 那么恶毒 ， 很友善 ， 于是 A和 B 断绝“纠缠” ， 和 X 在一起 ， 开始一种新的“纠缠” 。
此时朋友 C 观察到了这一事件 ， 拍了照片告诉了朋友 D ， D 看了照片之后 ， 对 B 进行了一些友谊上的教育 ， B 被教育后幡然醒悟 ， 弃恶从善 ， 从此也变成像 X 一样变成了一个善良的人 。
在这个例子里 ， 我们可以将 A 和 B 作为两个纠缠的量子 ， C 和 D 分别为 A 和 B 所在位置的科学家 ， 而 X 则是未知量子态 ， 科学家希望通过“量子隐形传态”的方式将这一未知量子态传送到B上 。
整个传输过程中 ， 量子 X 本身并没有被传送， 而是 X 的状态被传送到了B上——正如异地恋例子里 X 善良的状态传给了 B ， 从而让 B 的状态也从“恶毒”变成了“友善” 。
这便是“量子隐形传态” 。 不过要注意的是 ， 在“量子隐形传态”时 ， A 和 B 的纠缠消失 ， 和 A 和 X 产生新的纠缠 ， 几乎是同时发生的 。
你会发现 ， 在“量子隐形传态”中 ， 只是把量子 X 的状态进行了传输 ， 而粒子本身并没有被传送 。 这和科幻作品中的物质远程传送有很大区别 ， 想将物体通过量子技术从 A 地传送到 B 地 ， 目前来看还不现实 。
重点六
“墨子号”到底能为我们做什么？
如果你看到这里 ， 那么恭喜你 ， 你已经基本了解了“墨子号”量子科学实验卫星所承载的三项主要科学实验是什么了 。 不过这时你可能会问：这三个实验 ， 对我又会有什么影响呢？
每一个新理论的发现和新技术的实现 ， 从根本上都代表着人类对未知世界迈出新的一步 。 “墨子号”是我国最先进的量子通信技术结晶 ， 在国际上也是领先水平 。 量子通信技术已经开始出现在民用和商用领域 ， 在未来 ， 更加成熟的量子通信技术将会更广泛地应用在通信、金融、国防等诸多方面 。
本文由科普中国与墨子沙龙联合出品 。
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