隨著量子物理以及相關技術的發(fā)展，特別是量子力學基本問題的研究，量子信息科學逐步興起。其中貝爾不等式和量子糾纏的研究起了重要作用，演示了量子糾纏的重要性。量子糾纏引起更廣泛的關注，是因為量子糾纏已經(jīng)成為量子信息處理的資源[1-4]。例如，利用量子糾纏可以實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。

1 量子態(tài)不可復制

作為量子力學的線性疊加原理的后果，量子信息科學中有一個叫做“量子態(tài)不可復制”的基本定理：不可能存在一個基于量子力學演化的機器，它能夠復制任意的未知的量子態(tài)[5-6]。如果有這樣的機器，作為一個演化算符U，復制過程是，是被復制的態(tài)，代表復制前的復本空白狀態(tài)，代表機器在復制前后的量子態(tài)。同理，對于另一個被復制的態(tài)，復制過程是。而對于的任意線性疊加態(tài)，復制過程應該 。但是另一方面，根據(jù)量子力學的線性疊加原理，

與期望的復制過程不同。因此不存在復制機器。

因此如果一個任意量子態(tài)從一個載體，經(jīng)過某個過程，轉(zhuǎn)移到另一個載體上，那么原來的載體上的量子態(tài)就肯定改變了。這體現(xiàn)于量子隱形傳態(tài)中。

2 量子隱形傳態(tài)

1993年，本內(nèi)特（C. H. Bennett）、布拉薩爾（G. Brassard）、克雷波（C. Crépeau）、喬薩（R. Jozsa）、佩雷斯（A. Peres）和伍特爾斯（W. K. Wootters） 提出量子隱形傳態(tài)方案，借助量子糾纏和經(jīng)典通信，將未知量子態(tài)從第一個粒子（下圖中記作A）傳到遠方的第二個粒子（下圖中記作C）上[7]。第三個粒子（下圖中記作B）與第一個粒子處于同一地點，但是與第二個粒子糾纏，處于某個貝爾態(tài)，不失一般性，可以用。將第一個粒子的態(tài)記作。3個粒子的量子態(tài)是

其中X和Z都是某種操作，而且逆操作是它們自己。具體來說，這里每個粒子都是里一個量子比特，也就是說，

Alice控制A和B粒子，對它們進行以貝爾糾纏態(tài)為基的測量（叫做貝爾測量），并將測量結(jié)果以經(jīng)典通信通知控制C粒子的Bob，后者對C粒子采取相應操作。 Alice對A和B粒子進行貝爾測量后，她知道三個粒子狀態(tài)成為上面數(shù)學表達式的4項之一，將結(jié)果告訴Bob，Bob相應地做寫在前面的操作的逆操作（碰巧等于原操作）——如果Alice得到，Bob不做任何操作；如果Alice得到，Bob得知結(jié)果后，做Z操作；如果Alice得到，Bob得知結(jié)果后，做X操作；如果Alice得到，Bob得知結(jié)果后，做ZX操作。這樣最后得到的C粒子的狀態(tài)總是。 粒子本身沒有被傳送，是量子態(tài)被傳送，而該量子態(tài)原來的載體（A粒子）則改變了量子態(tài)，事實上變成與B粒子處于一個糾纏態(tài)，而且經(jīng)典通信在量子態(tài)的傳送中起了重要作用。這樣，雖然Alice和Bob不知道被傳的態(tài)是什么，但是這個態(tài)從A粒子傳到了C粒子。注意，一個關鍵的步驟是Alice將測量結(jié)果通知Bob，否則量子態(tài)傳送是不可能實現(xiàn)的。妙處是Alice和Bob都不知道被傳的態(tài)，而且粒子本身沒有傳送。 ?

量子糾纏和量子隱形傳態(tài)都不可能瞬間傳遞信息。如果Alice和Bob僅僅對兩個糾纏粒子分別測量，是無法實現(xiàn)信息傳遞的，這是因為如果Alice不將對第一個粒子的測量結(jié)果通知Bob，后者是觀測不到第二個粒子的任何變化的，觀測結(jié)果與坍縮前的量子態(tài)也是完全融洽的（因為有隨機性）。因此這里沒有超光速信號的傳輸，量子糾纏并不違反相對論。對相對論的遵守也體現(xiàn)在量子隱形傳態(tài)中，Alice必須將測量結(jié)果告訴Bob。

事實上，任何信號傳輸都不能超過光速。 1997年，塞林格（A. Zeilinger）組[8]和馬丁尼（F. De Martini）組[9]分別在實驗上實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。 正如量子隱形傳態(tài)的最初理論文章中也提到的，量子隱形傳態(tài)可以推廣如下：粒子1和2處于一個貝爾糾纏態(tài)，粒子3和4處于另一個同樣的貝爾糾纏態(tài)；粒子2和3一起被做貝爾測量，結(jié)果粒子1和4就會處于一個糾纏態(tài)，雖然它們沒有相遇。這可以從下式看出，

塞林格參與的一個理論工作將之稱為糾纏交換，并指出這可以用于檢測糾纏對的產(chǎn)生[10]。1998年，塞林格組在實驗上實現(xiàn)了糾纏交換[11]。中國學者潘建偉作為研究組成員參加了這兩個量子隱形傳態(tài)和糾纏交換實驗。

3 量子衛(wèi)星與量子密鑰分發(fā)

量子信息技術的一個重要目標是實現(xiàn)長距離的量子糾纏，其中一個技術途徑是用光纖，但是光有衰減，所以需要中繼。經(jīng)典中繼器顯然依賴于復制。但是量子態(tài)不能被復制，因此量子中繼與經(jīng)典中繼器不同。 一個解決方法是借助衛(wèi)星，因為大氣以上的自由空間中，光衰減很小。中國的潘建偉研究團隊用2016年發(fā)射的墨子號衛(wèi)星實現(xiàn)了這個方案，實現(xiàn)了衛(wèi)星與北京附近的興隆地面站之間（相距1200公里）的BB84方案的密鑰分發(fā)[12]。BB84方案是Bennett和Brassard于1984年的提出的量子密鑰分發(fā)方案，不需要量子糾纏[13]。

不用衛(wèi)星，但是作為衛(wèi)星工作的技術準備，他們在青海湖附近實現(xiàn)了約100公里距離的量子糾纏、量子隱形傳態(tài)和Bell-CHSH不等式違反（S=2.51±0.21，無局域性漏洞）實驗，充分驗證了利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性，2017年，利用衛(wèi)星實現(xiàn)了阿里地面站和墨子號衛(wèi)星之間1400公里的量子隱形傳態(tài)[14]。墨子號衛(wèi)星還將糾纏光子分發(fā)到青海的德令哈和云南的麗江（相距1203公里），觀察到雙光子糾纏以及Bell-CHSH不等式違反（S=2.37±0.09，無局域性漏洞）[15]。后來，又與塞林格組合作，實現(xiàn)了在中國與奧地利之間的密鑰分發(fā)（無量子糾纏）[16]。

衛(wèi)星還有望取得進一步成就[17]。 另一個途徑是所謂量子中繼器，基于糾纏交換，通過多個節(jié)點，實現(xiàn)長程糾纏。除了有效的糾纏交換，還需要好的量子存儲，因為在一方的許多次糾纏交換過程中，另一方必須保持量子態(tài)不變。這些技術結(jié)合起來，可以導致全球量子網(wǎng)絡的建立。 1991年，Artur Ekert提出一種基于量子糾纏態(tài)的量子密鑰分發(fā)方案[18]。這叫Ekert91方案。Alice和Bob共享來自一個獨立源的處于的糾纏量子比特（自旋、光子偏振或者其他載體）。他們分別隨機在3個方向和測量所擁有的量子比特。分別是90度、135度、180度方向，分別是135度、180度、225度方向。方向的測量結(jié)果（可以公開）用來檢驗貝爾不等式。通過檢驗貝爾不等式是否違反，可以發(fā)現(xiàn)通道是否安全可靠、沒有竊聽。然后可以用，也就是

?方向的完美反關聯(lián)的測量結(jié)果生成密鑰。2006年，塞林格組在144公里距離上實現(xiàn)了這個方案[19]。他們檢驗CHSH不等式的S是2.508±0.037，表明貝爾不等式的違反達到13個標準偏差。2022年， 3個組用沒有漏洞的貝爾測試實現(xiàn)了這個方案[20-22]。

作為密鑰方案，也可以不檢驗貝爾不等式，而是獨立去測量X或Z算符，結(jié)果應該是反關聯(lián)的[23]。然后類似BB84方案，用一些結(jié)果作錯誤率分析，檢驗有無竊聽。如果沒有竊聽，就可以生成密鑰。這叫BBM92方案。2020年，墨子號衛(wèi)星將糾纏光子分發(fā)到德令哈和南山（相距1120公里），實現(xiàn)了Ekert91和BBM92方案，而且違反Bell-CHSH不等式的S是2.56 ± 0.07，達到8個標準偏差 [24]。2022年，墨子號衛(wèi)星將糾纏光子對分發(fā)到德令哈和麗江（相距1200km），然后在兩個地面站之間實現(xiàn)了量子態(tài)遠程傳輸[25]。

結(jié)束語

本篇文章詳細梳理了量子糾纏相關的主要概念、關鍵思想和重要里程碑。從愛因斯坦-波多爾斯基-羅森，以及薛定諤、玻爾和玻姆的相關工作，少為人知的與粒子物理相關的量子糾纏研究，到貝爾不等式的提出和實驗檢驗，再到量子信息時代中量子糾纏的重要角色。 愛因斯坦揭示了量子力學與定域?qū)嵲谡摰臎_突，貝爾將其定量化，CHSH將其推廣用于實際實驗。為了檢驗貝爾不等式，實驗技術不斷提高。2022年諾貝爾物理學獎授予阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect），約翰?克勞澤（John F. Clauser）和塞林格（Anton Zeilinger），獎勵他們關于糾纏光子的實驗，奠定了貝爾不等式的違反，也開創(chuàng)了量子信息科學。

他們的開創(chuàng)性實驗使量子糾纏成為“有力的工具”，代表了量子革命的新階段。 發(fā)展至今，這個曾經(jīng)小眾的領域生長出與量子調(diào)控和量子信息科技等密切相關的大領域。量子糾纏也是實現(xiàn)量子計算的基礎，因為量子算法里普遍用到了量子糾纏態(tài)。因此量子糾纏在量子計算、量子模擬、量子通信、量子度量與傳感等方面都扮演重要角色，是所謂新量子革命或者第二次量子革命和量子技術新紀元的基礎。 另外，量子糾纏也是理解多體量子態(tài)的重要概念。本世紀初，一些研究人員意識到[26]，量子糾纏概念除了在量子力學基本問題與量子信息之外，也可以用于傳統(tǒng)的量子物理領域，比如凝聚態(tài)理論與量子場論。

審核編輯：劉清