由于爱因斯坦和量子计算，长期的物理谜团可能很快就会被解决

量子纠缠的本质仍然是物理学中的一个突出问题。但阿尔伯特·爱因斯坦的理论以及量子计算的见解最终可能会解开这个谜团。

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2025 年是量子力学诞生 100 周年。自该领域诞生以来的一个世纪里，科学家和工程师利用量子力学创造了激光、核磁共振扫描仪和计算机芯片等技术。

如今，研究人员正在寻求构建量子计算机以及使用称为量子信息科学的全新姊妹领域安全传输信息的方法。

但是，尽管创造了所有这些突破性技术，研究量子力学的物理学家和哲学家仍然没有找到该领域创始人提出的一些重大问题的答案。鉴于量子信息科学的最新发展，像我这样的研究人员正在使用量子信息理论来探索思考这些尚未解答的基础问题的新方法。我们正在研究的一个方向是将阿尔伯特·爱因斯坦的相对论原理与量子位联系起来。

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量子计算机

量子信息科学专注于构建基于信息的量子“位”或量子位的量子计算机。量子位在历史上以物理学家马克斯·普朗克和爱因斯坦的发现为基础。他们分别于 1900 年和 1905 年发现光存在于离散的或“量子”能量束中，从而推动了量子力学的发展。

基于量子位而不是经典位的计算机可能具有显着的计算优势。这是因为经典位仅对一个查询产生二进制响应（1 或 0）。

相比之下，量子位利用量子叠加的性质对无限多个查询产生二进制响应。这一特性使研究人员能够以所谓的量子纠缠态连接多个量子位。在这里，纠缠的量子位以经典位阵列无法做到的方式共同发挥作用。

这意味着量子计算机可以比普通计算机更快地完成一些计算。例如，据报道，一种设备使用 76 个纠缠量子位来解决采样问题，速度比传统计算机快 100 万亿倍。

但造成量子计算基础的量子纠缠态的确切力量或自然原理是一个尚未解答的大问题。我和我在量子信息论领域的同事提出的解决方案与爱因斯坦的相对论原理有关。

量子信息论

相对论原理表明，物理定律对于所有观察者来说都是相同的，无论他们在空间中的哪个位置、他们的方向如何或他们相对于彼此如何移动。 我的团队展示了如何结合使用相对论原理和量子信息论原理来解释量子纠缠粒子。

像我这样的量子信息理论家认为量子力学是一种信息原理理论，而不是一种力理论。这与量子物理学的典型方法非常不同，在量子物理学中，力和能量是进行计算的重要概念。相比之下，量子信息理论家不需要知道什么样的物理力可能导致纠缠量子粒子的神秘行为。

这为我们解释量子纠缠提供了一个优势，因为正如物理学家约翰·贝尔在 1964 年证明的那样，任何用力来解释量子纠缠都需要爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”。

这是因为两个纠缠量子粒子的测量结果是相关的——即使这些测量是同时进行的，并且粒子在物理上相距很远。因此，如果有一种力引起量子纠缠，它的作用速度必须比光速更快。超光速的力违反了爱因斯坦的狭义相对论。

许多研究人员正在试图找到一种对量子纠缠的解释，这种解释不需要远距离的幽灵行为，就像我的团队提出的解决方案一样。

经典和量子纠缠

在纠缠中，你可以总体了解两个粒子的一些信息（将它们称为粒子 1 和粒子 2），这样当你测量粒子 1 时，你会立即了解有关粒子 2 的一些信息。

想象一下，您正在邮寄两个朋友，物理学家通常称他们为爱丽丝和鲍勃，每个人的手套都来自同一副手套。当爱丽丝打开她的盒子并看到左手手套时，她会立即知道当鲍勃打开另一个盒子时他会看到右手手套。每个盒子和手套的组合都会产生两种结果之一：右手手套或左手手套。只有一种可能的测量方法——打开盒子——所以爱丽丝和鲍勃纠缠了经典的信息。

但在量子纠缠中，情况涉及纠缠量子位，其行为与经典位非常不同。

量子位行为

考虑电子的一种称为自旋的特性。当您使用垂直定向的磁铁测量电子的自旋时，您总是会得到向上或向下的自旋，没有介于两者之间的自旋。这是二进制测量结果，因此这是一些信息。

如果你将磁铁侧向旋转来测量电子的水平自旋，你总是会得到向左或向右的自旋，没有介于两者之间的自旋。磁铁的垂直和水平方向构成了同一钻头的两种不同测量。因此，电子自旋是一个量子位——它对多个测量产生二进制响应。

量子叠加

现在假设您首先测量电子的垂直自旋并发现它向上，然后测量其水平自旋。当您站直时，您根本不会向右或向左移动。所以，如果我测量你站直时左右移动的距离，我会得到零。

这正是您所期望的垂直自旋电子。由于它们具有垂直方向的向上旋转（类似于直立），因此它们不应该有任何水平向左或向右旋转（类似于左右移动）。

令人惊讶的是，物理学家发现其中一半在水平方向向右，一半在水平方向向左。现在，垂直自旋向上的电子在水平测量时具有左自旋 (-1) 和右自旋 (+1) 结果似乎没有意义，就像我们期望直立时不会出现左右运动一样。

但是，当您将所有左（-1）和右（+1）旋转结果相加时，您确实会得到零，正如我们在旋转状态为垂直向上旋转时在水平方向所预期的那样。因此，平均而言，当我们站直时，就像没有左右或水平移动一样。

当物理学家说垂直自旋向上的电子处于左右水平自旋的量子叠加时，他们所讨论的就是二元（+1 和 -1）结果的 50-50 比率。

相对论原理中的纠缠

根据量子信息论，所有量子力学，包括其量子纠缠态，都是基于具有量子叠加的量子位。

我和我的同事提出的是，这种量子叠加是相对论原理的结果，该原理（再次）指出，对于空间中不同方向的所有观察者来说，物理定律都是相同的。

如果向上垂直自旋的电子如您所料直接穿过水平磁铁，则它不会水平自旋。这违反了相对论原理，即无论是在水平方向还是垂直方向上测量，粒子都应该有自旋。

由于垂直自旋向上的电子在水平测量时确实具有自旋，因此量子信息理论家可以说相对论原理（最终）对量子纠缠负责。

而且由于这个原理解释中没有使用力，所以就不存在爱因斯坦嘲笑的“幽灵般的超距作用”。

随着量子纠缠对量子计算的技术意义的确立，很高兴知道有关其起源的一个大问题可以用一项备受推崇的物理原理来回答。

这篇编辑过的文章是根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布的。The Conversation。阅读原始文章。