量子糾纏與貝爾不等式:愛因斯坦最後的挫敗與量子資訊革命的曙光
現代物理學中最大的謎團,同時也是最強大的工具——「量子糾纏(Quantum Entanglement)」。以及打破人類直覺「局域實在論」的「貝爾不等式」。這些不僅僅是物理學的理論遊戲,更向我們揭示了宇宙的根本性質,甚至成為量子電腦和量子密碼通訊等次世代科技的基石。
本文將從 1935 年愛因斯坦等人的 EPR 論文開始,講述隱變數理論的掙扎、約翰·史都華·貝爾推導出歷史性不等式、CHSH 不等式與量子力學中最大違反(齊雷爾森極限)的數學證明,以及阿斯佩等人進行實驗驗證,直到 2022 年獲得諾貝爾物理學獎的壯麗戲劇。我們將從物理學、量子資訊科學、科學哲學的視角進行極為詳細的解說。此外,還將穿插數學公式,深入探討透過多粒子糾纏的 GHZ 態完全否定局域實在論、量子遙傳的嚴密協定,以及糾纏的定量化手法。
第1章:1935年,愛因斯坦的反擊
1920年代,當量子力學正由哥本哈根學派(如尼爾斯·波耳與維爾納·海森堡等人)逐步建立公式化體系時,阿爾伯特·愛因斯坦對其機率性與非決定論的詮釋抱持著強烈的不滿。「上帝不擲骰子」這句名言,表達了他對量子力學底層機率性質的拒絕。
1935年,愛因斯坦與鮑里斯·波多爾斯基、納森·羅森共同發表了物理學史上留名的歷史性論文《量子力學對物理實在的描述能被認為是完備的嗎?(Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?)》,即所謂的「EPR論文」。這篇論文的目的是在邏輯上證明量子力學是「不完備」的,也就是說,必定存在著我們尚未知曉的「隱變數」。
局域性與實在性的定義
為了理解 EPR 論文的邏輯推演,我們必須準確掌握愛因斯坦等人所作為前提的兩個根本概念。
- 實在性(Realism): 不論是否被觀測,物理系統都具有確定的物理性質(數值)的觀念。在 EPR 論文中定義為:「如果在不以任何方式干擾系統的情況下,我們能確切地(機率為 1)預測某個物理量的值,那麼就存在一個對應該物理量的物理實在要素。」換句話說,測量前對象就已經確定地保有其屬性,這是古典力學中理所當然的常識。
- 局域性(Locality): 在空間上分離的兩個區域中,於其中一方進行的操作或測量,不會超越光速瞬間對另一方的物理現實產生影響,這是基於相對論的原則。根據狹義相對論,超越光速的資訊傳遞將導致因果律的崩潰,因此任何物理交互作用都受到光速的限制。
「幽靈般的超距作用」(Spooky action at a distance)與 EPR 悖論
在 EPR 論文中,提出了以下的思想實驗。 考慮兩個粒子 A 和 B,它們在強烈交互作用後彼此遠離。在量子力學的框架下,這兩個粒子處於「糾纏(Entangled)」狀態,被描述為整體的波函數。
假設我們測量了粒子 A 的位置 $x_A$。根據動量守恆定律等,當 A 的位置確定時,粒子 B 的位置 $x_B$ 也會瞬間確定。另一方面,如果我們測量粒子 A 的動量 $p_A$,粒子 B 的動量 $p_B$ 就會瞬間確定。 根據量子力學,位置和動量是不對易的物理量($[x, p] = i\hbar$),無法同時具有確定的值(海森堡的不確定性原理)。然而,對 A 測量的選擇(測量位置還是動量),似乎超越了光速瞬間決定了 B 的狀態(是位置確定的狀態,還是動量確定的狀態)。
如果「局域性」是正確的,那麼對 A 的測量就不可能瞬間影響 B。愛因斯坦將此稱為「幽靈般的超距作用(Spukhafte Fernwirkung / Spooky action at a distance)」,並予以強烈批評。因此,他們得出結論:B 在被測量之前必定已經預先擁有了確定的位置和動量值(隱變數),而未能完全描述位置和動量的量子力學是一個「不完備的理論」。這個悖論成為了後來量子資訊理論中對糾纏本質理解的第一步。
第2章:隱變數理論的困境與波姆力學
在 EPR 論文發表後,物理學家們開始探索一個假說:「量子力學是正確的,但並不完備,在更深的層次上是否存在著決定論的理論(隱變數理論)?」
馮·諾伊曼錯誤的「不可能定理」
對這場爭論澆了一盆冷水的是天才數學家約翰·馮·諾伊曼。他在 1932 年的著作《量子力學的數學基礎》中,提出了一個證明(不可能定理),宣稱要建構一個與量子力學給出相同預測的「隱變數理論」在數學上是不可能的。 馮·諾伊曼的權威極大,在隨後的幾十年裡,「尋找隱變數是毫無意義的」這種風氣主導了物理學界。
然而,後來人們發現,馮·諾伊曼的證明在「隱變數應滿足的條件」中,包含了一個極度受限且非物理的假設(非對易物理量期望值的加法性:$\langle A+B \rangle = \langle A \rangle + \langle B \rangle$ 假設在隱變數層次也成立),實際上並不是一個完美的證明。葛蕾特·赫爾曼很早就注意到了這個缺陷,但在當時並未受到重視。
波姆力學:非局域隱變數理論
1952年,大衛·波姆打破了馮·諾伊曼的不可能定理,建構了一個能給出與量子力學完全一致預測的決定論「隱變數理論(波姆力學,或稱德布羅意-波姆理論)」。 在波姆的理論中,粒子始終具有明確的位置(隱變數),並由遍布整個宇宙的「量子位勢」所引導。這個位勢 $Q = -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\nabla^2 R}{R}$ 是透過將薛丁格方程式轉換為極座標表示而得,具有不隨距離衰減的奇異性質。
然而,波姆力學付出了沉重的代價。因為量子位勢會瞬間對整個空間產生影響,這個理論本質上是「非局域的」。愛因斯坦最厭惡的「幽靈般的超距作用」,卻被波姆力學作為理論核心包含在內。 愛因斯坦對波姆的理論也採取了否定的態度,稱之為「廉價的解決方案」,依然堅信「局域」隱變數理論的存在。
第3章:自旋1/2粒子的單態與量子力學的嚴密預測
在進入貝爾不等式之前,讓我們使用包立矩陣,完整展開量子力學所預測的糾纏相關性的嚴密狄拉克符號(Bra-Ket)計算過程。這將成為後來與局域實在論產生衝突的量子力學核心。
假設產生了一對自旋1/2的粒子,且總自旋為零,處於「單態(Singlet State)」。這個狀態 $|\psi^-\rangle$ 描述如下:
$$ |\psi^-\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |\uparrow\rangle_A \otimes |\downarrow\rangle_B - |\downarrow\rangle_A \otimes |\uparrow\rangle_B \right) $$這裡,$|\uparrow\rangle, |\downarrow\rangle$ 分別代表自旋向上($+1$)、向下($-1$)的本徵態($z$基底)。為了簡化,有時寫作 $|\psi^-\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\downarrow\rangle - |\downarrow\uparrow\rangle)$。
愛麗絲在方向 $\vec{a}$,鮑伯在方向 $\vec{b}$ 分別測量他們粒子的自旋。方向向量為單位向量,在球座標系中可表示為 $\vec{a} = (\sin\theta_a\cos\phi_a, \sin\theta_a\sin\phi_a, \cos\theta_a)$ 等。 各方向的自旋測量算符,利用包立矩陣 $\vec{\sigma} = (\sigma_x, \sigma_y, \sigma_z)$ 可表示為 $\sigma_a = \vec{a} \cdot \vec{\sigma}$、$\sigma_b = \vec{b} \cdot \vec{\sigma}$。
我們想知道的是,愛麗絲和鮑伯測量結果乘積的期望值 $\langle \sigma_a \otimes \sigma_b \rangle$。為了計算這個,我們根據期望值的定義展開:
$$ \langle \psi^- | (\vec{a} \cdot \vec{\sigma}) \otimes (\vec{b} \cdot \vec{\sigma}) | \psi^- \rangle $$首先,作為包立矩陣的性質,我們考慮 $\vec{a} \cdot \vec{\sigma} = a_x \sigma_x + a_y \sigma_y + a_z \sigma_z$。一個簡化計算的巧妙技巧是利用單態 $|\psi^-\rangle$ 是旋轉不變的(在任何基底中都具有相同形式)。但在這裡,我們進行更直接的代數方法完全展開。
$$ \sum_{i \in \{x,y,z\}} \sum_{j \in \{x,y,z\}} a_i b_j (\sigma_i \otimes \sigma_j) $$$$ \sum_{i,j} a_i b_j \langle \psi^- | \sigma_i \otimes \sigma_j | \psi^- \rangle $$在此,我們針對每個成分評估 $\langle \psi^- | \sigma_i \otimes \sigma_j | \psi^- \rangle$。
對於 $|\psi^-\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle - |10\rangle)$:
- $\sigma_z \otimes \sigma_z$: $\sigma_z \otimes \sigma_z |01\rangle = (+1)(-1)|01\rangle = -|01\rangle$ $\sigma_z \otimes \sigma_z |10\rangle = (-1)(+1)|10\rangle = -|10\rangle$ 因此 $\sigma_z \otimes \sigma_z |\psi^-\rangle = -|\psi^-\rangle$,期望值為 $-1$。
- $\sigma_x \otimes \sigma_x$: $\sigma_x \otimes \sigma_x |01\rangle = |10\rangle$ $\sigma_x \otimes \sigma_x |10\rangle = |01\rangle$ 因此 $\sigma_x \otimes \sigma_x \frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle - |10\rangle) = \frac{1}{\sqrt{2}}(|10\rangle - |01\rangle) = -|\psi^-\rangle$,期望值為 $-1$。
- $\sigma_y \otimes \sigma_y$: 由 $\sigma_y |0\rangle = i|1\rangle, \sigma_y |1\rangle = -i|0\rangle$ 可得: $\sigma_y \otimes \sigma_y |01\rangle = (i|1\rangle) \otimes (-i|0\rangle) = |10\rangle$ $\sigma_y \otimes \sigma_y |10\rangle = (-i|0\rangle) \otimes (i|1\rangle) = |01\rangle$ 因此 $\sigma_y \otimes \sigma_y |\psi^-\rangle = -|\psi^-\rangle$,期望值為 $-1$。
另一方面,不同成分(例如:$\sigma_x \otimes \sigma_y$)的期望值皆為 $0$。 因為 $\sigma_x \otimes \sigma_y |01\rangle = |1\rangle \otimes (-i|0\rangle) = -i|10\rangle$ 等,當與 $\langle \psi^-|$ 取內積時,會因為正交性而消失。
$$ \sum_{i} a_i b_i \langle \psi^- | \sigma_i \otimes \sigma_i | \psi^- \rangle = \sum_{i} a_i b_i (-1) = - (a_x b_x + a_y b_y + a_z b_z) = - \vec{a} \cdot \vec{b} $$這就是嚴密的推導。 若向量 $\vec{a}$ 和 $\vec{b}$ 的夾角為 $\theta$,根據內積的定義 $\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos\theta = \cos\theta$(因為方向向量是單位向量,長度為1)。 因此,量子力學所預測的相關性,成為了以下極為優美且簡單的公式:
$$ E(\vec{a}, \vec{b}) = \langle \sigma_a \otimes \sigma_b \rangle = - \cos\theta $$這個 $-\cos\theta$ 的強烈相關性,正是古典隱變數理論絕對無法重現的「量子特有行為」之泉源。
第4章:約翰·史都華·貝爾的衝擊與 CHSH 不等式的嚴密推導
1964年,在 CERN 從事粒子物理學研究的愛爾蘭物理學家約翰·史都華·貝爾,利用空閒時間研究量子力學的基礎問題。他考慮到波姆力學是非局域的,於是產生了以下深遠的疑問:
「究竟,有沒有可能用愛因斯坦所期望的『局域』隱變數理論,來重現量子力學的所有預測呢?」
貝爾將這個原本僅限於哲學爭論的問題,透過嚴密的數學公式化,昇華為可以進行實驗驗證的形式。這就是在科學史上閃耀的「貝爾定理(Bell’s Theorem)」與「貝爾不等式」。 接著在1969年,約翰·克勞澤、邁克爾·霍恩、阿伯納·希莫尼、理查·霍爾特四人(CHSH),推導出了能在現實實驗中驗證的擴充版不等式「CHSH不等式」。
局域實在論的假設與 CHSH 不等式的積分・代數展開
$$ \int \rho(\lambda) d\lambda = 1 $$$$ A(a, \lambda) = \pm 1, \quad B(b, \lambda) = \pm 1 $$$$ A(a', \lambda) = \pm 1, \quad B(b', \lambda) = \pm 1 $$$$ E(a, b) = \int A(a, \lambda) B(b, \lambda) \rho(\lambda) d\lambda $$$$ S(\lambda) = A(a, \lambda)B(b, \lambda) + A(a, \lambda)B(b', \lambda) + A(a', \lambda)B(b, \lambda) - A(a', \lambda)B(b', \lambda) $$$$ S(\lambda) = A(a, \lambda) \left[ B(b, \lambda) + B(b', \lambda) \right] + A(a', \lambda) \left[ B(b, \lambda) - B(b', \lambda) \right] $$這裡進入了極其重要的邏輯步驟。$B(b, \lambda)$ 和 $B(b', \lambda)$,兩者的值必定都是 $+1$ 或 $-1$。 因此,若考慮它們的和與差,只存在以下兩種情況:
- 情況1: 當 $B(b, \lambda) = B(b', \lambda)$ 時 和為 $B(b, \lambda) + B(b', \lambda) = \pm 2$,差為 $B(b, \lambda) - B(b', \lambda) = 0$。
- 情況2: 當 $B(b, \lambda) = -B(b', \lambda)$ 時 和為 $B(b, \lambda) + B(b', \lambda) = 0$,差為 $B(b, \lambda) - B(b', \lambda) = \pm 2$。
這就是,如果宇宙遵循著「局域實在論」,絕對無法超越的極限值。
量子力學最大違反(齊雷爾森極限)
請回想第3章導出的量子力學預測 $E(\vec{a}, \vec{b}) = -\cos\theta$。 假設愛麗絲和鮑伯將測量儀器設定在以下的角度:
- $a = 0$
- $a' = \pi/2$
- $b = \pi/4$
- $b' = -\pi/4$
(※附帶一提,如果使用光子的偏振,係數會與自旋1/2不同,變成 $E = \cos(2\theta)$,但使用上述自旋設定進行計算,本質是一樣的) 各設定間的角度差為: $|a - b| = \pi/4$ $|a - b'| = \pi/4$ $|a' - b| = \pi/4$ $|a' - b'| = 3\pi/4$
代入量子力學的預測: $E(a, b) = -\cos(\pi/4) = -1/\sqrt{2}$ $E(a, b') = -\cos(\pi/4) = -1/\sqrt{2}$ $E(a', b) = -\cos(\pi/4) = -1/\sqrt{2}$ $E(a', b') = -\cos(3\pi/4) = +1/\sqrt{2}$
$$ S = \left( -\frac{1}{\sqrt{2}} \right) + \left( -\frac{1}{\sqrt{2}} \right) + \left( -\frac{1}{\sqrt{2}} \right) - \left( +\frac{1}{\sqrt{2}} \right) = -\frac{4}{\sqrt{2}} = -2\sqrt{2} $$取絕對值得到 $|S| = 2\sqrt{2} \approx 2.828$。
明顯超越了局域實在論極限的 $2$($2.828 > 2$)。由量子力學所能達成的這個最大值,我們稱為齊雷爾森極限(Tsirelson Bound)。透過嚴密的數學證明,顯示出局域實在論與量子力學的預測是絕對無法相容的。
第5章:多粒子糾纏與局域實在論的「一擊」否定(All-or-Nothing)
貝爾定理是基於統計性相關的「不等式」。然而,1989年,丹尼爾·格林伯格、邁克爾·霍恩和安東·塞林格三人指出,如果考慮三個粒子糾纏的狀態(GHZ態),就不必依賴不等式或統計機率,僅憑一次測量結果的矛盾,就能完全駁倒局域實在論。這被稱為「All-or-Nothing證明」或「GHZ定理」。
GHZ 態的性質
$$ |GHZ\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |\uparrow\uparrow\uparrow\rangle - |\downarrow\downarrow\downarrow\rangle \right) $$在此,我們作用以下包立算符的乘積:
- $X_1 Y_2 Y_3 = \sigma_x^{(1)} \otimes \sigma_y^{(2)} \otimes \sigma_y^{(3)}$
- $Y_1 X_2 Y_3 = \sigma_y^{(1)} \otimes \sigma_x^{(2)} \otimes \sigma_y^{(3)}$
- $Y_1 Y_2 X_3 = \sigma_y^{(1)} \otimes \sigma_y^{(2)} \otimes \sigma_x^{(3)}$
- $X_1 X_2 X_3 = \sigma_x^{(1)} \otimes \sigma_x^{(2)} \otimes \sigma_x^{(3)}$
利用: $\sigma_x |\uparrow\rangle = |\downarrow\rangle, \sigma_x |\downarrow\rangle = |\uparrow\rangle$ $\sigma_y |\uparrow\rangle = i|\downarrow\rangle, \sigma_y |\downarrow\rangle = -i|\uparrow\rangle$ 將 $X_1 Y_2 Y_3$ 作用於 $|GHZ\rangle$ 上: $X_1 Y_2 Y_3 |\uparrow\uparrow\uparrow\rangle = |\downarrow\rangle (i|\downarrow\rangle) (i|\downarrow\rangle) = -|\downarrow\downarrow\downarrow\rangle$ $X_1 Y_2 Y_3 |\downarrow\downarrow\downarrow\rangle = |\uparrow\rangle (-i|\uparrow\rangle) (-i|\uparrow\rangle) = -|\uparrow\uparrow\uparrow\rangle$ 因此, $X_1 Y_2 Y_3 |GHZ\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (-|\downarrow\downarrow\downarrow\rangle + |\uparrow\uparrow\uparrow\rangle) = |GHZ\rangle$ 其本徵值為 $+1$。由對稱性可知,$Y_1 X_2 Y_3$、$Y_1 Y_2 X_3$ 的本徵值同樣也是 $+1$。
另一方面,將 $X_1 X_2 X_3$ 作用於其上: $X_1 X_2 X_3 |\uparrow\uparrow\uparrow\rangle = |\downarrow\downarrow\downarrow\rangle$ $X_1 X_2 X_3 |\downarrow\downarrow\downarrow\rangle = |\uparrow\uparrow\uparrow\rangle$ 因此, $X_1 X_2 X_3 |GHZ\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|\downarrow\downarrow\downarrow\rangle - |\uparrow\uparrow\uparrow\rangle) = -|GHZ\rangle$ 其本徵值為 $-1$。量子力學確切地(機率為1)預測了以上的結果。
局域實在論破滅的代數證明
在局域實在論中,認為測量結果是由預先決定的隱變數所決定的。 假設粒子1在X方向、Y方向的測量結果分別為 $m_x^1, m_y^1 \in \{+1, -1\}$。粒子2、3也作同樣的定義。 由於必須與量子力學 $+1$ 的預測一致,局域實在論的模型必須滿足以下三個方程式:
- $m_x^1 m_y^2 m_y^3 = +1$
- $m_y^1 m_x^2 m_y^3 = +1$
- $m_y^1 m_y^2 m_x^3 = +1$
將這三個方程式全部乘起來: $(m_x^1 m_y^2 m_y^3)(m_y^1 m_x^2 m_y^3)(m_y^1 m_y^2 m_x^3) = +1 \times +1 \times +1 = +1$ 整理左邊,每個 $m_y^i$ 都被乘了兩次,因此 $(m_y^i)^2 = 1$。 $m_x^1 m_x^2 m_x^3 (m_y^1)^2 (m_y^2)^2 (m_y^3)^2 = m_x^1 m_x^2 m_x^3 = +1$
換句話說,只要遵循局域實在論,$X_1 X_2 X_3$ 的測量結果就必定是 $+1$。 然而,正如我們先前看到的,量子力學嚴密的預測(以及實際的實驗結果)是 $-1$。 $+1$ 和 $-1$。甚至不需要統計上的不等式,在單次測量中,局域實在論與量子力學就產生了決定性的矛盾,證明了量子力學的正確性。
(※順帶一提,在三粒子糾纏中,還存在具有與 GHZ 態不同性質的 W 態 $|W\rangle = \frac{1}{\sqrt{3}}(|100\rangle + |010\rangle + |001\rangle)$,它具有即使失去一個粒子,糾纏也不會完全破壞的堅固性。)
第6章:在量子資訊科學的應用與量子遙傳的嚴密展開
糾纏從悖論的對象,蛻變成了「資訊資源」。其代表性例子就是「量子遙傳(Quantum Teleportation)」。它於 1993 年由查爾斯·本內特等人提出,並在 1997 年由安東·塞林格(2022年諾貝爾獎得主)的團隊首次以實驗證實。
量子遙傳協定的數學公式展開
假設愛麗絲擁有一個未知的量子態 $|\phi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle$,她想把這個狀態傳送給遠方的鮑伯。($|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1$) 根據量子不可複製定理(No-cloning theorem),我們無法複製這個狀態發送過去。而且,一旦進行測量就會導致狀態塌縮,無法準確知道未知的 $\alpha, \beta$。
$$ |\Phi^+\rangle_{AB} = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_A |0\rangle_B + |1\rangle_A |1\rangle_B) $$$$ |\psi_{total}\rangle = |\phi\rangle_C \otimes |\Phi^+\rangle_{AB} = (\alpha|0\rangle_C + \beta|1\rangle_C) \otimes \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_A |0\rangle_B + |1\rangle_A |1\rangle_B) $$$$ \frac{1}{\sqrt{2}} \left( \alpha|000\rangle + \alpha|011\rangle + \beta|100\rangle + \beta|111\rangle \right) $$(※下標順序為 $C, A, B$)
此時愛麗絲對她手邊的粒子 C 和粒子 A 進行「貝爾測量(Bell measurement)」。這是一種將兩個粒子投影到以下四個貝爾態基底的測量: $|\Phi^\pm\rangle_{CA} = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle \pm |11\rangle)$ $|\Psi^\pm\rangle_{CA} = \frac{1}{\sqrt{2}}(|01\rangle \pm |10\rangle)$
$$ |\psi_{total}\rangle = \frac{1}{2} \left[ |\Phi^+\rangle_{CA}(\alpha|0\rangle_B + \beta|1\rangle_B) + |\Phi^-\rangle_{CA}(\alpha|0\rangle_B - \beta|1\rangle_B) + |\Psi^+\rangle_{CA}(\alpha|1\rangle_B + \beta|0\rangle_B) + |\Psi^-\rangle_{CA}(\alpha|1\rangle_B - \beta|0\rangle_B) \right] $$當愛麗絲進行貝爾測量時,系統會以 1/4 的機率塌縮到這四個項中的任何一個。
- 如果愛麗絲得到 $|\Phi^+\rangle$,鮑伯的狀態為 $\alpha|0\rangle + \beta|1\rangle = |\phi\rangle$,傳送已經完成(么正算符 $I$)。
- 如果得到 $|\Phi^-\rangle$,鮑伯的狀態為 $\alpha|0\rangle - \beta|1\rangle$。鮑伯只要施加包立 $Z$ 算符($\sigma_z$),就能恢復成 $|\phi\rangle$。
- 如果得到 $|\Psi^+\rangle$,鮑伯的狀態為 $\alpha|1\rangle + \beta|0\rangle$。鮑伯只要施加包立 $X$ 算符($\sigma_x$),就能恢復成 $|\phi\rangle$。
- 如果得到 $|\Psi^-\rangle$,鮑伯的狀態為 $\alpha|1\rangle - \beta|0\rangle$。鮑伯先施加 $Z$ 再施加 $X$(即 $XZ$ 或 $i\sigma_y$),就能恢復成 $|\phi\rangle$。
愛麗絲透過一般的通訊(電話或網路),將測量結果(2位元的古典資訊:00, 01, 10, 11)傳達給鮑伯。這種通訊不會超越光速,因此不違反相對論。鮑伯根據接收到的2位元,應用適當的包立算符,完美地還原未知的量子態 $|\phi\rangle$。 這就是量子遙傳的完整協定。
第7章:糾纏的定量化(Quantification)
糾纏不僅僅是「有」或「沒有」,還可以定量化「糾纏的強度有多強」。在量子資訊理論中,這是一個極其重要的研究主題。
1. 馮·諾伊曼糾纏熵(von Neumann Entanglement Entropy)
$$ S(\rho_A) = -\text{Tr}(\rho_A \log_2 \rho_A) $$在貝爾態這樣的最大糾纏態中,$\rho_A$ 會成為完全混合態(與單位矩陣成正比),並取得 $S = 1$(最大值)。直觀地說,這表現了糾纏的本質:「我們完全知道整體的狀態,但如果只看部分(系統 A),卻完全沒有任何資訊(看起來是隨機的)」。
2. 共生糾纏度(Concurrence)
$$ C(\rho) = \max(0, \lambda_1 - \lambda_2 - \lambda_3 - \lambda_4) $$$C(\rho)$ 的值介於 $0$(無糾纏)到 $1$(最大糾纏)之間,並且具有強大的數學性質,可以使用這個值直接計算稱為「形成糾纏度(Entanglement of Formation)」的另一種尺度。
3. 負值度(Negativity)
$$ \mathcal{N}(\rho) = \frac{||\rho^{T_B}||_1 - 1}{2} $$這等於負本徵值絕對值的總和,因為計算容易,所以成為研究高維度系統或多體系統糾纏時極為有用的指標。
第8章:實驗驗證與漏洞(Loophole)的徹底封閉
理論已經完成,應用也清晰可見。剩下的就是要在實驗室裡追問大自然,它實際上遵循著哪一種法則。
阿蘭·阿斯佩的切換實驗(1982年)
必須排除一種可能性:在愛麗絲和鮑伯決定測量儀器角度之後,該資訊以低於光速的速度傳達到另一方,從而影響了「隱變數」。這被稱為「局域性漏洞(Locality Loophole)」。 法國的阿蘭·阿斯佩等人成功地進行了一項實驗:在光子從光源飛向測量儀器的過程中,使用聲光元件以超高速隨機切換測量儀器的角度設定。藉此創造出即使是光速訊號也無法傳遞資訊的狀況(空間隔離),並出色地觀測到了不等式的違反。愛因斯坦的「幽靈般的超距作用」成為了現實。
終極挑戰:完全無漏洞(Loophole-free)實驗(2015年)
在阿斯佩的實驗之後,仍保留了極少數反駁的餘地,例如探測效率過低(聲稱未能測量到的光子帶有方便的隱變數,即「探測漏洞 / Fair-sampling Loophole」)。 然而在 2015 年,荷蘭台夫特理工大學、奧地利維也納大學、美國 NIST 等多個研究團隊,終於成功進行了同時封閉所有主要漏洞的「無漏洞貝爾測試(Loophole-free Bell test)」。在台夫特的實驗中,藉由讓相距 1.3 公里鑽石 NV 中心內的電子自旋產生糾纏,徹底封鎖了局域性漏洞與探測漏洞,為局域實在論的棺材釘上了最後一根釘子。
代結語:愛因斯坦的挫敗所帶來的光芒
2022 年,為量子力學基礎立下決定性貢獻的阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤、安東·塞林格三人獲頒了諾貝爾物理學獎。
愛因斯坦厭惡量子力學的機率性質與非局域性,為了批評它而寫下了 EPR 論文。但諷刺的是,他尖銳的批評明確地凸顯了「糾纏」這個概念,並透過貝爾這位天才,為人類真正理解宇宙非局域的連結,並將其作為科技應用,開闢了一條嶄新的道路。
愛因斯坦的「最後挫敗」,絕不是物理學的停滯,而是人類獲得量子資訊這門全新宇宙語言的偉大曙光。
責任編輯:量子資訊科學科技作家 本文是涵蓋從量子力學基礎到最尖端量子資訊技術的學術性解說。
