糾纏概念。尤里克·彼得/沙特斯托克
量子力學，統治原子和粒子微觀世界的理論，當然有X因子。與物理學的許多其他領域不同，它是奇異和反直覺的，這使得它令人眼花繚亂和有趣。當 2022 年諾貝爾物理學獎授予阿蘭·阿方面、約翰·克勞瑟和安東·蔡林格對量子力學的研究時，引發了興奮和討論。
但是，關於量子力學的辯論——無論是在聊天論壇上、媒體上還是在科幻小說中——往往會因為一些持久的神話和誤解而變得混亂。這裡有四個。
1.貓可以是死的，也可以是活的
歐文·薛丁格可能永遠不會預料到他的思想實驗，薛丁格的貓，會在21世紀獲得網際網路模因的地位。
這表明，一隻倒霉的貓科動物被困在一個盒子裡，盒子裡有一個由隨機量子事件（例如放射性衰變）觸發的終止開關，只要我們不打開盒子檢查，它就可以同時活著和死亡。
我們早就知道量子粒子可以同時處於兩種狀態，例如在兩個位置。我們稱之為疊加。
科學家們已經在著名的雙縫實驗中證明了這一點，其中單個量子粒子，如光子或電子，可以同時穿過牆上的兩個不同狹縫。我們怎麼知道呢？
在量子物理學中，每個粒子的狀態也是一個波。但是，當我們一個接一個地通過狹縫發送光子流時，它會在狹縫後面的屏幕上產生兩個波相互干擾的模式。由於每個光子在通過狹縫時沒有任何其他光子可以干擾，這意味著它必須同時穿過兩個狹縫 - 干擾自身（下圖）。
然而，要做到這一點，通過兩個狹縫的粒子疊加中的狀態（波）需要是「連貫的」——彼此之間有一個明確的關係。
這些疊加實驗可以用尺寸和複雜性不斷增加的物體來完成。安東·蔡林格（Anton Zeilinger）在1999年的一項著名實驗證明了與被稱為「巴基球」的大分子碳-60的量子疊加。
那麼這對我們可憐的貓意味著什麼呢？只要我們不打開盒子，它真的是活的還是死的嗎？顯然，貓與受控實驗室環境中的單個光子完全不同，它更大，更複雜。構成貓的數萬億個原子之間的任何連貫性都是極其短暫的。
這並不意味著量子相干在生物系統中是不可能的，只是它通常不適用於貓或人類等大型生物。
2.簡單的類比可以解釋糾纏
糾纏是一種量子特性，它將兩個不同的粒子聯繫起來，因此，如果您測量一個粒子，您就會自動立即知道另一個粒子的狀態——無論它們相距多遠。
對它的常見解釋通常涉及我們經典宏觀世界中的日常物品，例如骰子，卡片甚至一雙奇怪顏色的襪子。例如，假設你告訴你的朋友你在一個信封里放了一張藍卡，在另一個信封里放了一張橙色卡。如果你的朋友拿走並打開其中一個信封並找到藍卡，他們就會知道你有橙色卡。
但是要理解量子力學，你必須想像信封內的兩張卡片處於聯合疊加狀態，這意味著它們同時是橙色和藍色（特別是橙色/藍色和藍色/橙色）。打開一個信封，會發現一種顏色是隨機確定的。但是打開第二張仍然總是顯示相反的顏色，因為它與第一張卡「詭異」地聯繫在一起。
人們可以強制卡片以不同的顏色顯示，類似於進行另一種類型的測量。我們可以打開一個信封，問一個問題：「你是綠牌還是紅牌？答案再次是隨機的：綠色或紅色。但至關重要的是，如果兩張牌糾纏在一起，當被問到同樣的問題時，另一張牌仍然會產生相反的結果。
阿爾伯特·愛因斯坦試圖用經典直覺來解釋這一點，他認為卡片可能被提供了一個隱藏的內部指令集，告訴它們在給定某個問題時以什麼顏色出現。他還拒絕了卡片之間明顯的「詭異」動作，這種動作似乎允許它們立即相互影響，這意味著通信速度超過光速，這是愛因斯坦理論所禁止的。
然而，愛因斯坦的解釋隨後被貝爾定理（物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾創造的理論檢驗）和 2022 年諾貝爾獎獲得者的實驗所排除。測量一張糾纏卡會改變另一張糾纏卡的狀態的想法是不正確的。量子粒子只是以我們無法用日常邏輯或語言描述的方式神秘地相關——正如愛因斯坦所認為的那樣，它們在交流的同時也包含一個隱藏的代碼。因此，當您考慮糾纏時，請忘記日常物品。
3. 自然是不真實的，是「非本地的」
貝爾定理通常被用來證明自然不是「局部的」，一個物體不僅僅直接受到周圍環境的影響。另一種常見的解釋是，它意味著量子物體的屬性不是「真實的」，它們在測量之前不存在。
但貝爾定理只允許我們說量子物理學意味著，如果我們同時假設其他一些事情，自然就不是真實的和局部的。這些假設包括這樣一種觀點，即測量只有一個結果（而不是多個，也許在平行世界中），因果關係在時間中向前流動，我們並不生活在一個「發條宇宙」中，其中自古以來一切都是預先確定的。
儘管有貝爾定理，但自然很可能是真實的和局部的，如果你允許打破一些我們認為常識的其他事情，比如時間向前移動。進一步的研究有望縮小量子力學的大量潛在解釋範圍。然而，擺在桌面上的大多數選擇——例如，時間倒流，或者缺乏自由意志——至少和放棄局部現實的概念一樣荒謬。
4. 沒有人了解量子力學
一句經典的話（出自物理學家理察·費曼之手，但以這種形式也轉述了尼爾斯·玻爾的話）推測：「如果你認為你理解量子力學，你就不理解它。
這種觀點在公眾面前被廣泛持有。量子物理學被認為是不可能理解的，包括物理學家。但從21世紀的角度來看，量子物理學對科學家來說既不是數學上也不是概念上特別困難。我們非常了解它，以至於我們可以高精度地預測量子現象，模擬高度複雜的量子系統，甚至開始構建量子計算機。
疊加和糾纏，當用量子信息的語言解釋時，只需要高中數學。貝爾定理根本不需要任何量子物理學。它可以使用概率論和線性代數在幾行中推導出來。
真正的困難所在，也許在於如何將量子物理學與我們的直覺現實相協調。沒有所有的答案不會阻止我們在量子技術方面取得進一步的進展。我們可以簡單地閉嘴並計算。
對人類來說幸運的是，諾貝爾獎獲得者阿克瑞、克勞瑟和蔡林格拒絕閉嘴，並不斷問為什麼。像他們這樣的人有一天可能會幫助調和量子怪異與我們的現實體驗。