在潘建偉等科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下，我國已經(jīng)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，處于國際領(lǐng)先地位。量子糾纏的概念也隨之火熱了起來。

愛因斯坦的狹義相對論認(rèn)為：光速不可超越，任何物體的運動速度都不能超過真空中的光速。截止目前，沒有發(fā)現(xiàn)任何違反相對論的物理現(xiàn)象。處于糾纏狀態(tài)的兩個粒子之間的感應(yīng)速度比光速快，但這并沒有違反相對論。這是怎么回事，讓我們來詳細(xì)了解一下。

什么是量子糾纏？

量子糾纏是發(fā)生在光子、電子這一類構(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)粒子上的一種量子效應(yīng)。按尺度劃分，世界有宏觀和微觀之分，量子效應(yīng)就主要發(fā)生于原子及亞原子尺度下的微觀世界。量子糾纏這個概念是由波動力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤命名的。

說到量子糾纏，必須要先來說一說量子。觀測及實驗表明，原子及亞原子粒子的運動是不連續(xù)的，或者說這些粒子的運動變化是離散的。我們用物理量來描述這些粒子的運動變化，如果把某一物理量的變化值填在數(shù)軸上，數(shù)軸不能被填滿、存在間隔，數(shù)軸就被這些間隔分成一份一份的，這些間隔對應(yīng)的就是物理量的變化，而且總是存在最小的間隔，這就是物理量的量子化，最小的間隔或者說最小的變化單位便是量子。

描述這種變化的便是量子力學(xué)，它有別于描述宏觀世界中物質(zhì)運動的經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)中物理量的變化是連續(xù)的，或者說變化量可以無窮小，不存在最小的變化單位。量子世界最大的特征便是粒子運動的不確定性、隨機性，粒子的波動性便源于此。正這是這個原因，科學(xué)家們只能用統(tǒng)計和概率的方式來描述粒子的運動。比如粒子的位置和速度，在被觀測之前都是不確定的，并且位置和速度不能被同時精確測量。“薛定諤的貓”最能形象地說明這種不確定性。

如下圖所示，關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的電子云模型就很清晰的說明了這個問題，電子并不像行星繞著恒星那樣具有確定的運轉(zhuǎn)軌道。

不同的粒子具有不同的量子態(tài)，當(dāng)幾個粒子相互作用之后，它們的量子態(tài)會疊加在一起，此時這幾個粒子就處于糾纏狀態(tài)。處于糾纏狀態(tài)的粒子間存在某種特殊的聯(lián)系，兩個粒子分別處在不同的地方，即使相隔1光年，一個粒子的狀態(tài)發(fā)生改變，另一個粒子的狀態(tài)也會對應(yīng)地發(fā)生改變。這種聯(lián)系與粒子間的距離無關(guān)，整個過程是瞬間完成的，也稱之為超距作用。

當(dāng)我們對某個處于糾纏狀態(tài)的粒子進(jìn)行測量，處于疊加狀態(tài)的量子態(tài)會發(fā)生坍縮，從而產(chǎn)生一個確定的量子態(tài)，不管相距多遠(yuǎn)，另一個粒子也會感應(yīng)到這種測量行為，坍縮至一個確定狀態(tài)。這種坍縮過程也是隨機的。而在測量之前，我們只知道整個量子系統(tǒng)的狀態(tài)，無法知道單個粒子的狀態(tài)。

愛因斯坦雖然是量子力學(xué)的主要奠基人，但是他也曾經(jīng)質(zhì)疑過量子糾纏中的超巨作用，并與羅森、波多爾斯基于1935年共同提出了EPR思想實驗。1964年，約翰·貝爾提出了貝爾不等式，ERP思想實驗也就變成了佯謬?；堇帐堑谝粋€提出驗證光子糾纏態(tài)實驗的人，此后，科學(xué)家成功地實現(xiàn)了這個實驗，生成了相互糾纏的光子對。

下圖為糾纏光子對的生成原理

量子糾纏現(xiàn)象與距離、時間無關(guān)

量子糾纏是一種鬼魅般的聯(lián)系，與距離的遠(yuǎn)近無關(guān)。兩個處于糾纏狀態(tài)的粒子，即使相隔億萬光年，彼此之間也會存在心靈感應(yīng)似的聯(lián)系。不過，這種心靈感應(yīng)的過程主要體現(xiàn)在糾纏狀態(tài)解除的那一剎那間，一個粒子被干擾，另一個粒子即刻就會作出相應(yīng)改變，糾纏態(tài)也隨即解除。如果沒有干擾，糾纏狀態(tài)將一直保持下去。

科學(xué)家做了很多實驗，都沒有發(fā)現(xiàn)糾纏粒子對在坍縮時存在時間延遲。因此普遍認(rèn)為，該過程不涉及時間差，或者說耗時為0。速度等于距離除以時間，不管距離多遠(yuǎn)，時間又始終為0，如何確定速度？對于量子糾纏現(xiàn)象來說，無論是100倍光速，還是1萬倍光速，都沒有實際意義。你也可以認(rèn)為，量子糾纏的速度無窮大。

至于為什么會產(chǎn)生這種聯(lián)系，科學(xué)家們也不是太清楚背后深層次的原因?？梢钥隙?，量子糾纏是一種客觀存在的物理現(xiàn)象。

存在超光速現(xiàn)象，并不意味著就會違反相對論

愛因斯坦在狹義相對論中認(rèn)為宇宙中最快的速度是真空中的光速，它是一切物體運動速度的極限，任何物體的運動速度都不能超過光速，任何有質(zhì)量的物體的速度不能達(dá)到光速。光屬于電磁波，又可以視作光子，由于光子沒有靜止質(zhì)量，光從誕生起就以光速傳播。而有質(zhì)量的物體之所以不能達(dá)到光速，是因為，當(dāng)物體運動時，質(zhì)量也會隨著速度的增加而增加，并且呈指數(shù)級增長。這意味著，速度越接近光速，加速物體時所需要的能量也就越多，質(zhì)量越大的物體加速時所需要的能量也就更多。

目前已知，宇宙中主要存在三類超光速現(xiàn)象，一類就是本文所說的量子糾纏，一類是宇宙空間的膨脹速度超光速，還有一種是介質(zhì)中的超光速現(xiàn)象。

光在真空中的傳播速度是30萬千米每秒，而光在介質(zhì)中的傳播速度會比真空中的傳播速度小。有時介質(zhì)中其它粒子的速度能夠超過光在介質(zhì)中的傳播速度，這并沒有超越真空中的光速，不算真正的超光速。

宇宙誕生于一次大爆炸，星系就仿佛分布在氣球表面，隨著宇宙的膨脹，也就是氣球的膨脹，氣球上任意兩點的距離都在相互遠(yuǎn)離，而相距越遠(yuǎn)的點，相互遠(yuǎn)離的速度也就越快。空間的膨脹就如同氣球膨脹一樣，相對于地球而言，離地球越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離地球的速度也就越快。在離地球140多億光年遠(yuǎn)的地方，空間的膨脹速度已經(jīng)超過了光速，但是時空中物質(zhì)運動的速度并沒有超過光速。

量子糾纏是量子世界不確定性的體現(xiàn)，量子疊加態(tài)的坍縮雖然從時間和距離上看起來超越了光速的限制，但是整個過程中并不涉及物質(zhì)的超光速運動。整個疊加態(tài)的坍縮過程是隨機的，量子糾纏并不能傳遞任何信息或能量。我們所說的量子通信技術(shù)，嚴(yán)格來講是利用量子糾纏技術(shù)對通信過程進(jìn)行加密的一種技術(shù)，信息走的還是傳統(tǒng)信道。

物質(zhì)是信息和能量的載體，我們現(xiàn)在用光或者無線電波來傳遞信息，它們本質(zhì)上也是物質(zhì)。不管是量子糾纏，還是宇宙空間的超光速膨脹，它們都不涉及物質(zhì)的運動，因此并不受狹義相對論的限制。想要利用量子糾纏實現(xiàn)科幻題材中的瞬間轉(zhuǎn)移，目前來說是不可能的。