新华网科普丨量子纠缠如何催生全新技术革命

量子纠缠是量子力学的核心现象，既是当前量子通信、量子计算等前沿科技的底层基础，也是大众最感兴趣却最易误解的量子概念。它究竟是粒子的“隔空约定”，还是千里之外的“心有灵犀”？国家级人才、国家重点研发计划首席科学家、北京航空航天大学教授周苗为我们解锁量子科技的奥秘。

量子纠缠是什么？

用通俗的语言解释，在微观世界里，两个或多个量子粒子会形成一种特殊的绑定状态。无论它们相距多远——哪怕远隔万里——当测量其中一个粒子时，两个粒子之间原本存在的关联会立即体现出来，我们可以据此确定另一个粒子的相关状态。这种“超距关联、瞬时联动”的神奇绑定现象，就是量子纠缠。

我们可以把一对纠缠量子比作一对天生配对的魔术硬币。这两枚硬币没有固定的正反面，在未被观测时，始终处于“又正又反”的叠加状态。一旦你拿起其中一枚抛出，它会瞬间定格为正面，那么远在千里、万里之外的另一枚硬币，也会瞬间定格为反面，二者永远精准对应、分毫不差。这一现象的关键在于，两枚硬币并非提前约定了结果，而是在观测的瞬间，它们的状态才同时确定。

量子纠缠的4大特性

超距关联性：纠缠量子的联动不受距离限制。即使将一对纠缠粒子分别置于地面实验室与太空中，二者依旧能保持瞬时关联，且中间不存在任何信号传输延迟。爱因斯坦曾将这种现象戏称为“幽灵般的超距作用”，这也是量子力学中最颠覆经典物理的特性之一。

状态随机性与结果确定性：单个量子的状态完全随机，观测前没有固定结果，处于量子叠加态；但一对纠缠量子的对应关系是绝对确定的。例如，若A粒子随机坍缩为自旋向上，B粒子必然坍缩为自旋向下，二者的配对规律始终精准无误。

一次性坍缩不可逆：量子纠缠的联动仅存在一次有效观测机会。一旦对纠缠粒子进行测量，量子叠加态会瞬间坍缩，纠缠关系随即解除，后续不再产生联动。简单来说：测量一次，纠缠便消失，无法重复使用。

不可克隆性：处于纠缠态的量子无法被完整复制或克隆。这是量子通信安全性的重要基础之一，从物理层面杜绝了窃听、复制与篡改的可能。

量子纠缠的误区

量子纠缠能否超光速传递信息？

量子纠缠的状态联动虽是瞬时的，却无法传递任何有效信息、数据或指令。由于观测结果完全随机，人类既无法控制粒子状态，也无法对信息进行编码，因此这一现象并不违背爱因斯坦的光速不变原理，超光速通信也就无从谈起。

量子纠缠等同于心灵感应或冥冥之中的联系吗？

量子纠缠是微观粒子层面的物理现象，仅存在于原子、光子、电子等量子尺度的微观粒子中。宏观物体、人体以及情感、思维等均不存在量子纠缠，与玄学、心灵感应、缘分、直觉等更是毫无关联。

量子纠缠的真实作用

量子纠缠并非虚无缥缈的物理现象，而是新一代量子科技的底层基石。所有量子“黑科技”的本质，都是对量子纠缠四大特性的应用：

世界首颗量子科学实验卫星的核心原理，正是基于光子的量子纠缠。科研人员通过卫星向太空分发纠缠光子对，由地面两地接收纠缠粒子，成功实现了千公里级的星地双向量子通信。在量子密钥分发过程中，如果有人试图窃听或拦截量子信号，就会不可避免地扰动量子态，从而留下可被通信双方发现的痕迹。同时，未知量子态无法被完美复制，这也进一步提高了通信安全性。

传统计算机采用“0和1”的二进制运算模式，一次只能处理一组数据；而量子计算机借助量子纠缠与量子叠加效应，多个相互纠缠的量子可同时处于多种状态，从而实现并行运算。通俗来讲：传统计算机是“逐条解题”，量子计算机则是“同时完成所有题目”。在密码破解、药物研发、气象预测、人工智能训练、新材料研发等特定场景中，量子计算被认为具有潜在优势。我国的“九章”“祖冲之”量子计算机，核心硬件原理均基于对量子纠缠的精准调控。

利用量子纠缠状态对环境的超高灵敏度，科学家已研发出量子雷达、量子陀螺仪与量子传感器。相比传统设备，这类量子设备可以利用量子态对多种参数微小变化的敏感性，在某些场景下实现比传统设备更高的测量精度，可实现深海精准定位、地质资源勘探、医疗精准成像等功能，是高端制造与国防探测领域的核心技术。

借助量子纠缠的状态传递特性，可将一个粒子的量子状态完整传输至远距离的另一个粒子，实现“量子信息瞬移”。目前该技术已在实验室及卫星实验中成功验证，未来有望应用于量子网络构建、星际通信、高精度量子信息传输等领域。

“星汉二号”多模式量子中继艺术示意图。（图片来源：中国科学技术大学）

在未来，我们或许无需依赖GPS或IP，直接通过量子纠缠即可证明“你真的在此处”，堪称现实版“量子定位印章”；或许能将量子纠缠技术制成不可伪造的动态身份卡，应用于考场、门禁、支付验证等场景；还可以为高价值包裹绑定纠缠量子，全程开启“位置+状态”双验证，真正实现全程可追溯、不可篡改、无法掉包，比传统封条和GPS更可靠。

量子纠缠是微观粒子间的超距物理关联，既非玄学也非心灵感应；它不超光速，不传递魔幻信息，仅实现粒子状态的瞬时同步；作为量子科技应用的核心基石，它是人类下一代科技革命的关键所在。（林雨南 郭晓婷）