互动科普

纠缠(entanglement)长期以来仅仅是理论家们争论的玩物，薛定谔认为纠缠是量子力学最深奥的特征，爱因斯坦怀疑地称其为“不可思议的超距作用”。纠缠是神秘的现象，它使两个以上物体的量子态真正地纠缠成为伙伴关系。理论上，纠缠可跨越数光年的距离而保持完整。以前的研究结果认为只有少量粒子在某一时刻纠缠，但现在证明，两个高尔夫球大小，包含着亿万个原子的铯原子云具有这种惊人的现象。丹麦奥尔胡斯大学的Polzik及其合作者们借助激光脉冲使铯原子云产生了纠缠。该项技术将使离物传输量子态成为可能，并将使信息存储于量子存储器之中。量子存储器是正在形成的量子计算技术的基本元件。

一个纠缠原子对的行为犹如两枚不可思议地联在一起的硬币。当硬币翻转时，每枚硬币任意地出现正面或反面。但是，当比较每枚硬币的结果时就会发现．它们总是相互“勾结”，两枚硬币总是协调一致——都是正面或反面。不知是何种原因使两枚硬币巧妙地协力配合达到了这一结果。

物理学家使用具有偏振态的光子或原子替代硬币的正面或反面。例如，铯原子具有磁距，其行为像一个微小的指南针，在磁场中它可以指向特定的方向，与磁场方向一致时对应为“正面”，相反时为“反面”。量子力学允许这两个状态的叠加，即原子处于这两个状态的组合，犹如在空中旋转的硬币。叠加态指定正面或反面的概率，纠缠态指定共同概率。例如，两枚硬币都是正面的可能性为50％，都是反面的可能性也为50％。

一般地，上述状态必须与环境完全隔离。例如，两个原子由磁陷阱悬在高真空中。与其他原子，甚至一个光子的最微弱的相互作用都可能破坏纠缠态。在2000年，Polzik与奥地利Innsbruck大学的物理学家提出了一种使两个量子态纠缠的方法．这两个量子态不是编码于单个原子，而是扩展于很大的原子集团。奥尔胡斯大学研究小组的实验实现了这个设想。

将两个铯原子的封闭容器置于磁场中，并制备高度有序的初始态。激光脉冲连续地穿过两个铯原子云，产生纠缠。该系统的美妙之处有三点：第一，与其他方案不同，相对普通的激光脉冲即可满足需要；第二，当各个原子被扰乱时，其他的大约亿万个原子继续支持纠缠态，尽管有一些衰变。上述两个特性导致了第三个特点，原子处在室温并封闭在普通的玻璃容器中，而不是悬在高质量的光学共振器中处于相互隔绝的状态。同样地，容器可以离得很远。

一个欠缺之处是，纠缠态是集体效应——以硬币的类比来说，它包含着超过平均亿万次的硬币投掷。但是，对许多实用来说，例如量子密码术，集团纠缠就足够了。Polzik希望他的小组以及其他研究小组继续进行相对容易的实验，诸如，从一个原子云到另一个原子云的量子隐形传态，以及两个以上量子态的纠缠。最终应用的一个关键条件可能源于这些实验：一般用途的量子计算。

1、纠缠态(entangled state)

量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态，而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上，纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中。纠缠态对了解量子力学的基本概念具有重要意义，近年来已在一些前沿领域中得到应用，特别是在量子信息方面。例如，量子远程通信。

2、量子隐形传态(quantum teleportation)

量子隐形传态与量子远程通信密切相关。“teleportation”一词是指一种无影无踪的传送过程。从物理学角度可以这样来想象隐形传送的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息选取与构成原物完全相同的基本单元(如：原子)制造出原物完美的复制品。

3、薛定谔(Erwin Schrodinger)

奥地利物理学家量子力学奠基人之一。由他所建立的薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子运动状态的基本定律。他在量子力学中的地位大致相当于牛顿运动定律在经典力学中的地位。

【陈颖建/译】