量子纠缠：揭秘超距作用的历史、现状与未来展望

单丁鹤纷

揭秘“诡异的超距作用”：探索量子纠缠的过去、现在与未来



甘骏晖1 冯达旋2
1. 西澳大利亚大学物理、数学与计算学院物理系；2. 美国德雷塞尔大学
回头来看，量子纠缠已然成为量子物质的核心特征——如此根本，甚至有人提出它可能构成时空的基础。然而，科学发展向来曲折迂回。在量子力学诞生后的前半个世纪里，物理学家主要专注于探索更高的能量尺度，致力于揭示微观物质的结构。唯有少数具远见卓识的思想者，真正洞察量子纠缠蕴含的革命性意义。
量子纠缠正成为引领量子技术革命的核心力量，并有望构筑下一代量子人工智能的基础。要理解这一现象，我们必须穿越历史的迷雾，探寻其起源与其惊人的回归。在这旅程中，我们不仅见证科学的进步，更迎来一个全新的世界观——其颠覆性堪比哥白尼提出日心说，或爱因斯坦重塑时空概念。
量子纠缠的意义远超发现某种新物质，它标志着一种深刻的范式转变。它揭示出自然界并非由孤立的个体构成，而是由错综复杂的关联网络编织而成。在这个视角下，实在不再是割裂的碎片，而是相互交织的整体，从中涌现出我们所认知的世界。
一
物质即波
传统教科书常以微型太阳系类比原子结构——电子被描绘为粒子，在空旷的空间绕着原子核旋转。这一类比虽形象易懂，却未能揭示原子的量子本质。在量子力学框架下，电子并非以确定轨道运行，而是由三维的波函数所描述，这些波函数赋予空间每一点概率幅度，体现出不确定性原理的核心精神(图1)。

图1
即使是先进的可视化模型，也只是对量子现实的近似表达。它们或许能提供直观的理解，但仍无法完整呈现电子的弥散性与概率性——那种在此处又在彼处的量子存在状态，远超经典图像所能捕捉。
人与其他物质一样，本质上是量子系统，其行为受波函数与概率幅度的支配，而非遵循纯粹的经典轨迹。人与原子之间的差异，并非源于物理原理的不同，而是体现在尺度与复杂性的层面。
原子的波函数在空间中呈现弥散状态，可通过光谱学或干涉实验进行探测验证。宏观尺度下的人类，其集体波函数高度复杂且局域化，并因与环境持续而强烈的相互作用迅速退相干。这种退相干效应使人的量子态在技术上难以直接测量或操控，但这并不意味着人脱离量子力学的基本原则。
从根本上说，我们仍处于量子世界之中，只是我们的行为在宏观层面上表现出近似经典的稳定性。这种稳定性并非否定量子性，而是量子规律在大尺度、多粒子系统中自然涌现出的统计结果。
量子行为向经典行为的转变，并非发生在某个明确的边界，而是一种连续的渐变过程，受系统尺寸、温度以及与环境耦合强度等因素的共同影响。随着这些参数的变化，量子干涉效应逐渐减弱，经典描述便在宏观尺度上自然浮现。
人类正处于这一过渡带的中间区域——我们的体量过大，热噪声过强，无法维持稳定的量子叠加态。然而，从构成角度来看，我们与原子、电子并无本质区别，皆由相同的量子构件组成。只是由于与环境的持续交互，我们的量子态迅速退相干，呈现出近似经典的行为模式。
因此，我们所感知的实在，并非脱离量子规律，而是这些底层量子定律在宏观世界中的粗粒化显现——一种由统计平均与环境影响共同塑造的近似图景。
二
EPR
爱因斯坦的名字常与能量-质量等式和光电效应联系在一起——后者为他赢得了诺贝尔奖。这些早期成就无疑具有划时代的意义，但与他晚年的思想深度相比，或许仍显稚嫩。长期以来，广义相对论被视为他科学生涯的巅峰之作。然而，从后见之明来看，1935 年发表的EPR 论文(与波多尔斯基和罗森合著)正日益显现为他智力遗产的真正高峰(图2)。

图2
这篇论文是爱因斯坦对量子力学基础问题多年沉思的结晶，它对当时主流哥本哈根诠释提出了大胆而持久的挑战。EPR 论文并非仅是物理史上的一段插曲，它是一部文化杰作，堪比巴赫的《赋格艺术》、梅西安的《时间终结四重奏》或伯格曼的《第七封印》。它体现了爱因斯坦成熟而深邃的哲学立场，是他思想的结晶，对实在本质的追问至今仍在塑造物理学的轮廓。
在纠缠、非定域性与信息论日益成为现代物理核心的今天，EPR的思想回响愈发清晰——它不仅是对量子世界的质疑，更是对科学方法与实在观的深刻反思。
量子纠缠这一概念源自1935 年阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基与内森·罗森合著的开创性论文《量子力学对物理现实的描述能否视为完备？》，即著名的EPR 论文。在这篇文章中，三位作者对量子力学的基础提出了深刻质疑：尽管该理论在实验上取得巨大成功，其描述可能仍不完整。
他们设计了一个思想实验：两粒子在相互作用后进入纠缠态，其各自的波函数——即描述量子态的数学结构——不再独立存在，而是融合为一个不可分割的联合波函数。这统一态编码了粒子之间的非局域关联，即使它们在空间上分离，这种关联仍然持续存在。
引人注目的是，这种关联无论距离多远都能瞬间显现，无需任何经典信号的传递。对一个粒子的测量会立刻确定其纠缠伙伴的状态。这一现象虽然完全符合量子力学的数学形式，却与经典局域性原则相冲突——而局域性正是爱因斯坦相对论的核心，强调任何影响都不能超越光速传播。对此，爱因斯坦深感困扰，并将其称为Spukhafte Fernwirkung，即“诡异的超距作用”。他虽然承认量子力学在预测上的非凡成功，但在哲学立场上始终坚持局域性与实在论，认为必须存在一个更完整的理论框架，才能真正调和这些原则与观测结果。
EPR论证的一个关键环节在于：当两粒子处于纠缠态时，它们的位置呈现出完美的相关性，而动量则表现为完美的反相关性。这意味着，只要测得其中一个粒子的位置，就能立刻推知另一个粒子的位置；同样，测得一个粒子的动量，也能立即确定其伙伴的动量。
这种现象似乎暗示着纠缠粒子之间在“共享”测量结果，仿佛存在某种超越经典极限的瞬时联系。它在形式上完全符合量子力学的预测，却隐含着一种超距影响的意味，似乎违背了相对论所坚持的原则——任何作用或信息都不得以超光速传播。
爱因斯坦更深层的忧虑，并不仅仅在于量子力学预测的奇异性，而在于其背后的本体论含义。如果所谓的“诡异作用”真的是在时空内部发生的过程，那么它必然涉及信息的瞬时传输，这与相对论的基本原则直接冲突。为了保持一致性，他不得不设想：这些相关性或许并非源自时空中的某种传播，而是来自一种超越时空常规框架的更深层机制。
这一思路凸显了爱因斯坦批判的深度。他的质疑不仅仅针对量子力学的概率性描述，更是直指其对物理实在本质的理解。他担心，如果量子力学仅仅停留在统计与预测层面，而无法揭示独立于观测的实在结构，那么它就无法称得上是一个完整的理论。
爱因斯坦最尖锐的批判，正是针对量子力学内部的张力：纠缠粒子之间的完美相关性，根本无法用任何经典机制加以模拟。科普作品常用“远隔的一对袜子”作比喻——若知一只是左脚袜，另一只必然是右脚袜。然而，这种类比在量子层面并不成立。
量子粒子在被测量之前，并没有确定的属性，它们的状态并非“隐藏着的既定结果”，而是处于一种叠加态：多种可能性同时存在，并以不同概率幅度共存。只有在测量发生时，叠加才“坍缩”为具体结果。
量子系统的固有概率性始终令爱因斯坦感到不安。他拒绝以“超决定论”来化解矛盾，因为那意味着彻底放弃自由与因果的意义。而若接受量子力学的标准诠释，就必须承认：粒子在被测量之前并没有确定的状态。换言之，粒子不同于一双袜子——袜子在抽屉里时已然是左脚或右脚，而量子粒子在观测之前却没有固有身份，只存在于叠加的可能性之中。
这种观点与爱因斯坦的哲学立场格格不入。他是实在论的坚定拥护者，坚信物理实在独立于观察而存在。正如他那句广为流传的名言所表达的：“无论你是否看它，月亮始终在那里。”
爱因斯坦在私人通信或德语文章中，确实常用“Wirklichkeit”来指涉“ 实在”，而不是“Realität”。Wirklichkeit 在德语哲学传统中(康德、黑格尔等)通常译为“实在”，强调“实际存在的东西”而非单纯的“现象”。在他与薛定谔、玻尔的争论中，爱因斯坦坚持“物理理论应该描述客观实在(Wirklichkeit)”，这就是所谓的“实在论”立场。
基于这一立场，爱因斯坦得出结论：量子力学虽在经验上取得了非凡成功，却依然是不完备的理论，无法全面刻画物理实在的本质。当时，他与量子力学拥护者之间的争论多停留在哲学层面，因为缺乏可行的实验手段来加以检验。与此同时，科学界的注意力集中在原子弹研发与亚原子结构的探索上，几乎无人有余力重新审视量子基础问题。
直到数十年后，随着实验技术的进步，量子纠缠的研究才重新焕发生机。贝尔定理的提出与后续实验的验证，使得EPR所引发的争论从哲学思辨走向了实验物理的核心舞台，也为现代量子信息科学奠定了基石。
三
薛定谔的猫
尼尔斯·玻尔——哥本哈根诠释的坚定拥护者——与阿尔伯特·爱因斯坦——量子理论最尖锐的批评者之一——之间的持久争论，核心在于一个深刻的哲学与物理问题：量子态的概率叠加究竟是实在的存在，即叠加态本身就是自然的存在方式，抑或仅仅反映了我们对自然描述的不完备，从而表现为认识论上的不确定？对玻尔而言，这个问题在物理学框架内是无意义的。他坚持认为，物理属性在被测量之前并不具有确定数值；而测量过程必须借助经典仪器，并以经典语言加以描述，从而将一系列可能性收缩为单一而确定的结果。
在 EPR 论文发表后不久，薛定谔提出了著名的“活死猫”思想实验(图3)。玻尔坚持认为，量子与经典之间在描述上存在分界，测量过程标志着系统由不确定转向确定。然而，近几十年的实验进展逐渐模糊了这条界限。研究者已能将量子效应扩展至更大尺度的系统，包括复杂分子，甚至提出对病毒或水熊虫等生物进行量子实验的设想。这一趋势迫使人们提出更为尖锐的问题：宏观实体——乃至人类自身——是否也可能处于量子叠加态？

图3
宏观纠缠是否存在？薛定谔是最早通过思想实验认真探讨这一问题的人之一。1935 年 EPR 论文发表后，他在与爱因斯坦的德语通信中使用了“Verschränkung”(即“纠缠”)一词，并在同年发表的论文中正式引入这一概念，用以描述 EPR 式系统的非经典相关。同年，他提出了著名的‘猫’实验：一只猫被置于密封盒中，旁边的量子装置以 50%的概率释放毒气，由单个放射性原子的衰变触发。根据量子论，在开盒之前，整个系统处于叠加态，猫既活又死。这个悖论鲜明地凸显了量子不确定性与经典直觉之间的张力，尤其在宏观层面上更显荒诞。
在写给爱因斯坦的信中，薛定谔使用“Verschränkung”(纠缠)来描述量子系统的非经典相关；而爱因斯坦则称之为“鬼魅般的超距作用”。至于为何必须有“盒子”，其意义在于划定量子系统与外部观察者的界限。在哥本哈根诠释下，盒子强调了猫的命运在观测之前并不确定——只有开盒的那一刻，叠加态才坍缩为确定的结果。若无盒子，悖论便失去了锋芒。正是这种观察者与系统的分离，突出了量子不确定性的奇异内涵，尤其在宏观尺度上更具震撼力。
四
吴 - 沙克诺夫实验
宏观纠缠的设想远远超出当时实验的能力，对薛定谔的同时代人而言几乎不可想象。这种处境颇似牛顿在《自然哲学的数学原理》中虽已洞见微积分的威力，却因无穷小方法的争议而未能公开阐述。量子纠缠亦是如此——它在理论上意义深远，却在随后的数十年间饱受质疑。即便在微观层面，粒子纠缠的概念也长期被许多物理学家视为可疑，他们怀疑这并非真实的非局域关联，而只是理论上的奇异推演。由于缺乏有力的实验证据，“纠缠”在当时的主流文献中鲜有出现，往往被当作哲学奇谈，而非严肃的物理事实。
科学史上的伟大突破，往往源于胆识与远见。吴健雄，这位年轻的华裔物理学家，曾师从奥本海默。她在哥伦比亚大学普平大楼的地下实验室开展了一项开创性的实验，后来被视为量子物理的重要基石。与研究生欧文·沙克诺夫合作，她首次在实验中观测到光子纠缠的存在。这一成果不仅确立了她在现代物理中的关键地位，也成为她作为 20 世纪最具影响力科学家之一的重要遗产(图4)。

图4
1946 年，物理学家约翰·惠勒提出设想：电子与正电子湮灭时会产生一对方向相反的伽马光子，它们的偏振应当呈现量子力学所预测的相关性。以此为理论基础，吴健雄与她的研究生欧文·沙克诺夫于 1949 年在哥伦比亚大学完成了一项里程碑式实验。实验结果首次提供了光子纠缠的实验证据，并与量子力学的预言高度一致。距离 EPR 悖论的提出仅仅十五年，吴-沙克诺夫实验便成为历史上首个光子纠缠的观测记录。更值得注意的是，这一成果甚至早于吴健雄后来更为人熟知的“宇称不守恒”实验数年。遗憾的是，尽管她在这两个领域都作出了开创性贡献，吴健雄却始终未能获得诺贝尔奖。
五
贝尔不等式
从某种视角看，约翰·贝尔堪称 20 世纪后半叶最重要的物理学家之一。他兼具数学的严谨、物理的洞察与哲学的敏锐，这种跨界的深度在科学史上极为罕见。若说爱因斯坦的物理贡献如同毕加索的艺术——革新根基、广受瞩目——那么贝尔的成就则更像杜尚：他并不满足于延续既有范式，而是直接质疑根基，挑衅主流假设，迫使科学界重新正视量子哲学的核心难题。
20 世纪中叶，物理学的主流焦点集中在亚原子结构与基本粒子的对称分类上，量子场论与标准模型逐渐成为时代的智识潮流。相比之下，量子力学的基础性问题——尤其是爱因斯坦与玻尔之间的哲学争论——在 20 世纪60 年代已被许多人视为“过时”或“与前沿研究无关”。然而，约翰·贝尔却逆流而上，以非凡的清晰与勇气重新审视这些被忽视的根本问题。
贝尔提出了一个关键问题：如果世界遵循经典物理的“局域实在论”，那么粒子间的相关性必须满足某些数学不等式——这就是贝尔不等式。
• 局域性：物理影响不能超越光速传播，不存在“鬼魅般的超距作用”。
• 实在性：物理属性在测量之前就具有确定的数值。
贝尔证明：任何满足局域实在论的理论都必须遵守这些不等式。然而，量子力学的预测却会违反它们。随后的实验也确实显示，自然界并不遵循局域实在论。换言之，量子纠缠展现出非局域的相关性，挑战了经典因果与独立实在的假设。
贝尔定理的意义在于，它将长期停留在哲学层面的争论转化为可检验的实验问题。它不仅是一个数学结论，更是一场概念上的革命：要么自然界本质上是非局域的，要么“实在”在测量之前并不确定。无论哪种答案，都足以动摇经典物理赖以建立的根基(图5)。

图5 任何满足局域实在论的理论都必须遵守这些不等式，实验显示自然界并不遵循局域实在论
贝尔本人在生前并未因这一贡献获得应有的奖赏。然而，随着时间推移，他的工作不仅催生了量子信息科学的兴起，也在 2022 年诺贝尔物理学奖的颁发中得到最终印证——这一奖项授予了阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟和安东·塞林格，以表彰他们通过实验验证了贝尔不等式的违背，并开创了量子信息学的新纪元。
回顾来看，贝尔的遗产不仅在于技术推动，更在于概念启迪。他提醒科学界：澄清物理学的根基并非奢侈的哲思，而是科学进步不可或缺的必要条件。
贝尔不等式以简洁而深刻的数学形式，揭示了量子世界与经典直觉之间的根本冲突。它不仅回应了爱因斯坦对量子力学完备性的质疑，更将抽象的哲学辩论转化为可检验的实验问题。由此，贝尔定理为 21 世纪量子科技的崛起奠定了坚实的哲学与实验双重基础。
六
21 世纪的纠缠
今逢量子力学发现百年。回顾其真义，或不仅在于解释氢原子光谱、揭示粒子结构——尽管这些奠定了现代物理的基石。从未来文明的眼光看，或许在 24 世纪，人类会认为量子最深远的遗产，是对量子纠缠的揭示。
纠缠展现了量子粒子间全新的关联方式——悖逆经典直觉，却成为先进计算与信息处理的核心资源。纠缠粒子仿佛在进行一种超越空间的“非局域对话”，无论相隔多远，依然保持深层联系。这一现象挑战了局域性的常规理解，或许终将重塑我们对时空的认识。
光子纠缠实验的开展，使得贝尔不等式被实验证实为可被违背，从而驳斥了经典隐变量理论，确认了量子力学固有的概率性。为表彰这一奠基性的贡献，2022 年诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟与安东·蔡林格，理由是：“ 表彰他们在纠缠光子实验、贝尔不等式检验以及量子信息科学开创方面的贡献。”(图6)

图6
21 世纪仅过四分之一，纠缠已成为量子科技的根本支撑——推动了量子计算、量子通信与量子传感的发展。尤其在自由空间量子通信方面，进展尤为显著：
• 2017 年：中国“墨子号”卫星实现了超过 1200千米的纠缠分发，成为全球里程碑。
• 2025 年：中国科大潘建伟团队进一步突破，将量子通信距离扩展至约 1.3 万千米，标志着全球量子网络迈出关键一步。
就在完成本文的当晚，2025 年的诺贝尔物理学奖授予约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷以及约翰·马丁尼斯，以表彰他们证明了宏观尺度上的量子力学效应，为量子技术的发展奠定了基础，如量子计算机和量子传感器(图7)。

图7 量子计算与诺贝尔奖
量子计算的根本是量子纠缠，量子纠缠的源头是吴健雄在1949 年的实验，而吴健雄做实验的原因是爱因斯坦1935 年的EPR文章。
纠缠不仅是量子力学最奇异的特征之一，更是未来量子科技的基石。它让我们重新理解“关系”在物理中的地位：
昔人筑起巨大的加速器，
在至微的尺度里，
在高能的碰撞中，
追寻真理的微光。
在我看来，宇宙更像一曲交响乐。
光子轻快如弦，
星辰舞动如音符，
引力低沉如鼓，
量子纠缠，
跨越时空如和声。
纠缠自然恒久，
如同惯性自然长存，
宇宙无为，却自圆满，
我亦无为，而得自足。