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)
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