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量子糾纏

量子糾纏是指兩個或更多量子位元共享同一個聯合狀態,而你無法透過單獨描述每個量子位元來刻畫它。它製造出比任何古典關聯都更強的關聯,然而——幾乎所有人都會對此感到意外——它仍然不能讓你以超過光速的方式傳遞訊息。在本指南中,你將建立起關於糾纏的誠實直覺:它能做什麼、它拒絕做什麼,以及為什麼它是眾多量子計算背後那台默默運轉的引擎。

比古典更強的關聯

想像我寄給你一隻手套,自己留下另一隻。在我們倆都還沒看之前,我們各自都有 50/50 的機率拿到的是左手那隻。當你打開盒子、看到「左」的那一刻,你立刻就知道我手裡的是「右」。這是一種關聯——但它是一種乏味的、古典的關聯。答案在我裝盒的那一刻就已經定下來了;打開你的盒子只不過揭示了一個一直為真的事實。

量子糾纏量子位元之間的一種關聯,它比手套故事更強,也更怪異。對於兩個糾纏的量子位元,在你查看之前,它們都沒有確定的值——不是「你不知道而已」,而是真正地尚未定下來。然而,就在你測量其中一個的那一瞬間,兩者的結果被鎖定在一起,緊密程度超過任何事先裝好的盒子所能重現的極限。實驗(貝爾測試)已經排除了「它是事先決定好的」這種解釋。這種聯繫是真實的,而且它不是暗中調換手套那一套把戲。

貝爾對

最簡單的糾纏態是貝爾對。取兩個量子位元並把它們製備成這樣:當你測量兩者時,你只會看到「00」或「11」——絕不會出現「01」或「10」——每種各佔 50% 的機率。這兩個量子位元總是一致的,儘管單看其中任何一個都像是一枚均勻的硬幣。

|psi> = (|00> + |11>) / sqrt(2)
用狄拉克符號寫出的貝爾對。|00> 和 |11> 這兩項各自攜帶相等的振幅 1/sqrt(2),所以取平方後得到「00」有 50% 的機率、「11」有 50% 的機率。注意缺了什麼:這裡沒有 |01> 或 |10> 項,所以這兩個量子位元永遠不會不一致。

接下來是誠實而重要的部分。你無法把那個表達式改寫成(量子位元 A 的某個部分)乘以(量子位元 B 的某個部分)。試一試,代數運算就是不答應。一個*能夠*這樣拆分的量子態被稱為可分離的;而貝爾對做不到,這種不可拆分性正是我們所說的糾纏。資訊存在於量子位元之間如何關聯,而不在它們各自單獨之中。

測量一個會塑造另一個

現在只測量貝爾對中的一個量子位元。在測量之前,那個量子位元處於 50/50 的疊加態——你真的無法預測自己會讀到 0 還是 1。假設你得到了 0。玻恩定則與坍縮告訴我們,聯合狀態會瞬間跳到 |00>。從那一刻起,*另一個*量子位元——你根本沒有碰過它,而它可能遠在銀河系的另一端——也保證會讀出 0。

人們很容易說你的測量「伸手過去設定了」那個遙遠的量子位元。要抵制這種畫面。真正改變的是統計規律:在此之前,夥伴是一枚均勻的硬幣;在此之後,它的結果被釘住,必須與你的相符。你並沒有把某個值推過空間——你只是更新了這一對量子位元所認定的、彼此關聯的那個結果。測量一個量子位元會塑造另一個將要呈現的行為,但這只發生在關聯的帳目記錄之中,絕不是一個由你掌控的訊號。

無法發送超光速訊息

炒作通常就是在這裡脫軌的,所以我們直說吧:糾纏無法以超過光速的方式傳遞訊息。一點也不能。一個位元都不能。這種關聯是真實而瞬時的,但除非你還透過一條普通的、慢於光速的通道來對照彼此的記錄,否則它只是毫無用處的隨機。

為什麼是斬釘截鐵的「不」?無論你對自己的量子位元做了什麼,你朋友的量子位元單獨看來,依然持續產生同樣的均勻硬幣式 50/50 隨機性。他們做不出任何一種測量、也盯不住任何一種規律,能告訴他們你是否先測量了、你得到了什麼、甚至你到底有沒有做過任何事。這種聯繫只有在你給他們打了電話——以光速或更慢的速度——並把你們兩列結果對齊之後才會*顯現*出來。沒有電話,就沒有可見的關聯,就沒有訊息。

為什麼它是一種資源

如果糾纏無法發送訊息,那為什麼還要在意它?因為在量子電腦內部,它是一種資源——是你花費出去以完成可分離量子位元做不到之事的東西。一台量子位元從不發生糾纏的處理器,可以被一台普通電腦高效地模擬,所以任何對真正量子優勢的指望,都會在某個環節上經過糾纏。

具體來說,糾纏為量子隱形傳態等協定提供動力(利用共享的貝爾對外加普通的古典訊息來轉移一個量子位元的狀態——沒錯,正是那些古典訊息使得隱形傳態同樣要遵守光速極限)。它也是量子演算法如何疏導各種可能性、使它們得以干涉的一部分,而干涉才是量子加速背後真正的機制。在這裡要當心:加速絕不是「一次性嘗試所有答案」。它是在安排振幅——糾纏幫忙把它們連接起來——使得錯誤的答案相互抵消,而當你進行那唯一一次測量時,正確的答案有很大機率出現。