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如果你看过即将上映的漫威电影宇宙的最新预告片《漫威》，它将三位最杰出的漫威英雄——惊奇队长、惊奇女士和莫妮卡·兰博——聚集在一起，你可能会听到一个简短的“纠缠”。

泰约娜·帕里斯(Teyonah Parris)饰演的兰博在描述影片最初的困境时，把三位英雄的能力描述为“纠缠在一起”，当他们试图使用这些能力时，他们似乎互换了位置。如果不是因为兰博和漫威女士的能力是基于光的，而量子纠缠现象可能最好地用光子或光粒子来证明，这可能是一句老生常谈。

因此，纠缠的提及将电影的情节与量子物理学中最违反直觉和看似神秘的一个方面联系起来。

量子纠缠一开始就困扰着物理学家，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)曾向物理学家马克斯·伯恩(Max Born)描述它为“spukhafte Fernwirkungen”，或者用英语说，“幽灵般的远距离行动”。

在没有超级英雄可以寻求答案的情况下，《大众力学》转向了下一个最佳选择:纽约斯克内克塔迪联合学院物理与天文系副教授、《如何教你的狗量子物理学》一书的作者查德·奥泽尔(Chad Orzel)来解释什么是纠缠，以及它为什么如此令人不安。

什么是量子纠缠，为什么它如此“怪异”?

为了发现纠缠为什么会引起物理学家的关注，有必要首先确定它是什么。

“纠缠的想法是，你可以有这些量子系统，它们可以被分成两个地方，比如两个粒子，它们有一些联合特性，”Orzel说。“在量子力学中也有这样的说法，即在你实际测量它们之前，这些状态应该是不确定的。”

要考虑这个问题，可以考虑一种叫做“自旋”的量子特性，你可以把它看作角动量的磁性版本。如果纠缠对中的一个粒子自旋“向上”，那么另一个粒子必然自旋“向下”。但是，这里有一个问题:当你从纠缠实验中发出这些粒子时，它们既没有向上旋转也没有向下旋转——它们的自旋还没有确定。

它需要测量或与另一个物理系统(比如磁场)的相互作用，才能使一个粒子假设一个自旋值。当这种情况发生时，配对粒子立即得到相应的值。这没什么可怕的，对吧?错了。这确实非常可怕，至少在大约100年前是这样。

你看，这个瞬间作用发生在一定距离上，任何距离。即使粒子位于宇宙的两端，相隔约930亿光年，它也会瞬间发生。

两个纠缠的量子粒子的图示。

“系统状态之间的这种相关性似乎与粒子之间的距离无关。无论粒子相距多远，做一些决定其中一个状态的事情也会决定另一个的状态，”Orzel解释说。“这种想法确实混淆了我们对世界应该如何运作的经典看法。”

爱因斯坦尤其担心，因为他在1905年提出的一个名为“狭义相对论”的理论明确地依赖于这样一个事实，即宇宙对有质量的粒子有速度限制，这限制了信息交换的速度。这个极限是光在真空中的速度，大约是每秒3亿米(3 × 10⁸米/秒或3后面8个零米/秒)。

因此，根据这条规则，如果第一个粒子的自旋值为“向上”，那么宇宙另一边的第二个粒子直到930亿年后才会知道自己的自旋值是“向下”。这还没有考虑到宇宙正在迅速膨胀的事实。

局部现实主义被抛到窗外

对爱因斯坦来说，纠缠所传达的信息是明确的:他相信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一定存在所谓的“隐变量”的观点。爱因斯坦和其他物理学家认为，当纠缠系统被创造出来时，这些隐藏的变量将会存在，并决定系统将采取什么状态，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”的思想，这一思想自古典或“决定论”物理学诞生以来一直是其核心。很简单，局部现实主义由两个原则组成:“真实”意味着物体具有独立于测量的确定属性，“局部”意味着只有物体的直接环境才能影响它——在狭义相对论中，混合意味着没有任何影响比光更快。

关于这个问题的争论持续了大约30年，许多量子物理学家对量子现象采取了一种“闭嘴计算”的方法，这种方法在很大程度上把理论的哲学含义放在一边。直到20世纪60年代中期，欧洲核子研究中心的物理学家约翰·贝尔开始深入思考对量子系统进行测量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想要的那种确定性理论，”奥泽尔说。“贝尔证明了这个定理，现在被称为‘贝尔定理’，它表明，对于具有确定变量的状态，你可能得到的结果是有限的。”

在这之后的30年里，物理学家们开始试图通过违反所谓的贝尔不等式来证实或反驳贝尔定理，如果系统中存在隐藏变量，这是不可能的。这些物理学家中最重要的是约翰·克劳瑟、阿兰·奥派森和安东·塞林格。2022年，三人组因建立了违反贝尔不等式的理论而获得了诺贝尔物理学奖，这表明纠缠确实违背了局部实在论。

“这让每个人都相信，这个奇怪的量子元素——‘这里’的测量决定了‘那里’的测量结果——似乎是绝对正确的，”奥泽尔说。“这既奇怪又有趣，它让物理学家们真正弄清楚这种情况的后果是什么。这成为量子信息领域的基础，从80年代开始，量子信息领域在实验意义上真正起飞。”

从1935年到20世纪90年代，纠缠才“成为主流”，但在此之后，这个曾经“令人毛骨悚然”的自然方面的潜在实际应用开始出现。

量子纠缠有多有用?

当《奇迹》于2023年11月上映时，其名义上的英雄可能会使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更重要的问题，比如隐私和保密。事实上，纠缠对于超级间谍尼古拉斯·j·弗瑞(由塞缪尔·l·杰克逊在漫威电影宇宙中扮演)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搅乱和解码相隔很远的发送者和接收者之间的信息，通常分别称为“Alice”和“Bob”。

“爱丽丝和鲍勃有一组纠缠的粒子，他们可以通过约翰·贝尔设想的测量来比较它们，”奥泽尔说。“Alice得到一个随机的1和0的字符串(例如，如果“向上”的自旋值对应于1，“向下”对应于0)，她可以确认Bob有一个对应的1和0的字符串。”

通过应用一些数学运算，这个随机的数字串可以被转换成Alice和Bob唯一的密钥。为了了解这是如何有效的，我们可以介绍每一部优秀的间谍惊悚片或漫威电影都需要的东西:一个对手。在这种情况下，威胁不是灭霸、康或洛基，而是一个名为“Eve”的闯入者，意为“窃听者”。

伊芙试图拦截爱丽丝和鲍勃之间的量子密钥传递，这样她就可以解释他们之间传递的信息。然而，由于测量解决了Bob和Alice使用的粒子的量子态，Eve被挫败了。这意味着当Alice和Bob相互检查随机的1和0集合时，他们发现它们不再相关。因此，他们知道他们的密钥已被截获，他们可以丢弃它。

电影《惊奇队长》中的场景。

量子纠缠的极限

不过，奥泽尔也指出，通过这种方式传播的信息有很大的限制。他说，因为量子系统的状态是完全随机和不确定的，爱丽丝不能提前选择她将向鲍勃发送什么“信息”。

还记得爱因斯坦是如何怀疑量子力学是不完整的吗?因为信息不应该能够瞬间传输。量子力学的随机性意味着，当一个粒子被测量时，粒子之间的瞬时传输不能以可用的方式传输信息。

“爱丽丝可以进行测量，但她没有能力影响测量的结果，”奥尔泽尔补充说。“所以她可以测量这个粒子，它要么是0，要么是1。那么Bob对应的值要么是1要么是0。但是她不能选择她想要的数字。没有办法用它来传递信息。”

缠结的使用也具有挑战性，因为它很容易受到干扰。Orzel给出了一个测量纠缠度的例子，光的光子可以在特定方向上偏振，水平偏振为1，垂直偏振为0。

他说:“如果我把一个光子从一个地方发送到另一个地方，并且假设你要做垂直和水平的测量，那么在这个意义上，纠缠很容易被破坏，并且沿着这个方向旋转光子的偏振，这并不是一件困难的事情。”“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，它没有坏;光子没有解纠缠。只是它们没有和一开始的测量结果纠缠在一起。”

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。凭借其无视距离的能力和启动即时行动的能力，它被选为宇宙麦高芬，将漫威宇宙两端的超级英雄聚集在一起也就不足为奇了。