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量子纠缠及其“多世界”解释具有神秘而迷人的光环。但这些都是科学观点，或者说应该是科学观点，在实践中都有具体的意义。在下面的文章中，我们将尽可能简单明了地解释量子纠缠和许多世界的概念。
纠缠：从经典到量子
量子纠缠通常被认为是量子力学特有的现象，但事实并非如此。事实上，非常规的是，我们首先可以通过思考简单的非量子（或“经典”）现象来研究纠缠。这使我们能够避免量子理论中纠缠的陌生，理解量子纠缠的微妙之处。
当系统由两个子系统组成并且我们对系统状态有部分了解时，就会发生纠缠。该子系统称为c-on。 “C”的意思是“经典”，但为了更容易理解，我们把c-on 想象成一块蛋糕。
这里的蛋糕有两种形状：方形和圆形。那么，两个蛋糕的总状态为（方，方）（方，圆）（圆，方）（圆，圆）。下面两个表显示了在四种状态中找到特定状态的概率。
如果一个蛋糕的状态无法根据另一个蛋糕的信息确定，则称两个子系统是独立的。第一个表具有此属性。即使您知道第一个蛋糕是方形的，但您仍然不知道另一个蛋糕的形状。类似地，第二子系统的形状不提供关于第一子系统的形状的有用信息。
另一方面，如果有关一个蛋糕的信息增加了我们对另一个蛋糕的了解，则可以说两个蛋糕是交织在一起的。第二表的情况显示了高度的纠缠。在这种情况下，如果我们已经知道第一个蛋糕是圆形的，那么我们就知道第二个蛋糕也一定是圆形的。如果第一个蛋糕是正方形的，那么第二个蛋糕也是正方形的。一旦知道了第一个蛋糕的形状，就可以确定第二个蛋糕的形状。
量子纠缠的量子版本本质上描述了相同的现象。换句话说，纠缠意味着不独立。在量子理论中，状态是用波函数来描述的，波函数的形式是纯数学的。为了把波函数和物理概率联系起来，有很多难以理解的东西稍后会介绍，但经典概率中表现出的纠缠在量子理论中也出现了。
当然，蛋糕不是量子系统，但量子系统之间的纠缠是一种非常自然的现象，并且会发生在例如两个粒子碰撞后的一段时间内。实际上，分离（相互独立）的状态很少存在，因为当系统相互作用时，它们的相互作用会在它们之间产生相关性。
让我们考虑一下分子。它由两个子系统组成：电子和原子核。分子的最低能量状态（这是最常见的）是电子和原子核纠缠在一起以致这些粒子无法独立的状态。当原子移动时，电子也随之移动。
回到这个例子。如果我们用、来表示第一子系统是正方形还是圆形，用、来表示第二子系统是正方形还是圆形，那么系统的整体状态将如下所示。
独立态： + + +
缠绕状态： +
独立态也可写为： ( + )( + )
请注意，表达式中的括号将系统1 和系统2 分成两个独立的部分。
有多种方法可以产生纠缠态。一种方法是测量复杂系统以获得部分信息。例如，我们知道两个系统具有相同的形状，但我们不知道它是正方形还是圆形。这个概念在后面的讨论中很重要。
什么是互补性
量子纠缠可以产生更奇特的结果，例如爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）效应和格林伯格-霍恩-蔡林格（GHZ）效应。它们与量子理论中另一个称为互补性的概念相互作用。为了更好地理解EPR和GHZ，我们首先介绍一下互补性。
我以前认为蛋糕有两种形状：方形和圆形。现在想象一下这些蛋糕有两种颜色：红色和蓝色。如果我们谈论的是经典系统，这些添加的属性允许蛋糕有四种可能的状态：红色正方形、红色圆形、蓝色正方形和蓝色圆形。
但如果是“量子蛋糕”，我们称之为地震或量子，那么情况就完全不同了。量子蛋糕可以分别具有形状和颜色，但这并不意味着它可以同时具有不同的形状和颜色。
尽管可以测量量子蛋糕的形状，但所有有关颜色的信息都会丢失。当然，你可以测量量子蛋糕的颜色，但有关其形状的所有信息都会丢失。根据量子理论，量子蛋糕的形状和颜色无法同时测量。人们所知的物理现实不具有这些属性。因此，人们需要对不同的物理量进行多次独立的观测，而每次观测都包含有用的信息。这就是尼尔斯·玻尔提出的互补性的核心。
作为推论，量子理论要求我们在为物理现实分配某些奇异属性时非常小心。为了避免矛盾，我们必须承认以下几点。
没有必要存在无量的财产。
· 测量是一个主动扰乱系统的过程
下面我们讨论量子理论中的两个典型（非经典）奇点。每一个都经过严格的实验验证（实际实验测量电子的角动量等特性，而不是它们的形状或颜色）。
EPR效应
爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（他们的名字缩写是EPR）描述了两个量子系统纠缠时发生的奇怪现象。 EPR 效应与一种特殊形式的量子纠缠密切相关，具有可通过实验实现的互补性。
对于EPR 中的一对量子蛋糕，我们可以测量它们的形状或颜色（但不能同时测量这两种属性）。创建许多这样的“对”并假设它们都是相同的。如果我们测量一对量子蛋糕中的一个，我们会发现它们是正方形或圆形的概率相同。此外，当我们测量颜色时，我们以相同的概率知道它们是红色或蓝色。
当您同时测量两个纠缠的量子蛋糕时，会发生一些有趣的事情。如果你测量两个量子蛋糕的颜色或两个量子蛋糕的形状，你会发现结果总是完全相同。事实上，如果一个量子蛋糕被测量为红色，那么后面测量的另一个量子蛋糕也应该是红色的。另一方面，如果你测量一个量子蛋糕的形状，然后测量另一个量子蛋糕的颜色，则没有任何关系。如果第一个测量的量子蛋糕是正方形，则第二个量子蛋糕有相同的机会是蓝色或红色。
根据量子理论，即使两个纠缠子系统相距很远并且测量几乎同时进行，这些现象仍然存在。选择在一个位置进行测量会影响另一位置的子系统的状态。爱因斯坦称这种现象为“幽灵般的远距离作用”，它似乎需要比光传播得更快的信息。
但事实是这样吗？在知道测量结果之前，您不会知道会发生什么。当您收到测量结果时，您会获得有用的信息，但不是在获取测量结果的那一刻。传达测量结果的信息必须通过比光速慢的物理方法来传输。
如果你再深入思考一下，这个矛盾就不再适用了。事实上，当第一个系统由于测量而已经处于红色状态时，请再次考虑第二个系统的状态。如果你选择测量第二块量子蛋糕的颜色，它肯定是红色的。然而，如前所述，如果引入互补性，如果我们选择测量量子蛋糕处于“红色”状态时的形状，我们将以相等的概率测量正方形或圆形。因此，EPR的结果是逻辑上的必然，而不是引入悖论。本质上，这只是辅助性的重新包装版本。
两个遥远的事物彼此相关并不矛盾。毕竟，如果您将每只手套放入两个盒子中并将它们邮寄到世界的两端，那么如果您可以查看一个盒子中的手套并确定另一个盒子中的手套是正确的，那就不足为奇了。该盒子适合左手或右手使用。类似地，在所有已知的情况下，如果EPR的子系统非常接近，则必须了解它们之间的关系，并且即使当两者彼此远离时，这些关系也可能被保留。同样，EPR 的奇怪之处并不在于存在这种相关性，而是它可以以互补的形式表现出来。
高赫兹效应
丹尼尔·格林伯格、迈克尔·霍恩和安东·塞林格发现了量子纠缠的另一个光辉例子。这包括三个在特殊纠缠态（GHZ 态）下制备的量子蛋糕。我们把这三个量子蛋糕分配给了三个相距较远的实验者。每个人独立随机选择是否测量形状或颜色并记录结果。尽管实验重复了很多次，但这三个量子蛋糕始终是在GHZ 态开始的。
当每个远程实验者单独测量自己的量子蛋糕时，他们发现结果完全是随机的。当他测量量子蛋糕的形状时，他发现它等概率地是圆形或方形；当他测量量子蛋糕的颜色时，他发现它等概率地是红色或蓝色。
然而，当三位实验者将他们的实验结果聚集到一起时，却得到了令人震惊的结果。我们将正方形和红色称为“好”，将圆形和蓝色称为“坏”。实验人员发现，只要两个人测量形状，第三个人测量颜色，就只能得到零个或两个“不好”的结果。如果三个人都选择测量颜色，那么一三个人测量的结果就会“很差”。这就是量子力学的预测和测量。
那么“坏”数是偶数还是奇数呢？这两种可能性都通过不同的测量来实现。我们必须拒绝回答这个问题。在不定义如何测量的情况下讨论“缺陷”的数量是没有意义的。事实上，这可能会导致不一致。
用西德尼·科尔曼的话说，GHZ 效应意味着“量子力学就在我们眼前”，打破了日常生活经验中根深蒂固的偏见，即物理系统的性质及其测量方式无关紧要。马苏。如果这种观点是正确的，那么“好”与“坏”之间的平衡就不受测量方法的影响。
时间演化与多世界图像
上面描述了这个问题。由于纠缠，不可能为多个量子蛋糕分配唯一且独立的状态。类似的考虑也适用于单量子蛋糕随时间的演变。
当一个系统在任何给定时间都不可能分配一个清晰的状态时，我们就说它具有“复杂的历史”。与通过消除几种可能性来获得传统纠缠类似，我们可以通过测量有关所发生事件的部分信息来创建纠缠历史。在最简单的纠缠历史中，只有一个量子蛋糕，我们在两个不同的时间点测量它。我们可以想象一种情况，量子蛋糕的形状两次都被确定为方形或圆形，但测量无法确定这两种情况中哪一种是正确的（测量仅提供部分信息）。这是上述纠缠的最简单的时域版本。
稍微复杂的方法可以增加系统的互补性，同时在某些情况下表现出“多世界”属性。我们的量子蛋糕可能事先处于红色状态，后来在蓝色状态下测量。在上面的简单例子中，量子蛋糕在中间时间的颜色特性无法一致确定，并且量子蛋糕的形状也无法确定。这类历史以有限但精确可控的方式展现了多世界图像的特征。一个给定的状态可以被划分为不同的历史轨迹，然后重新合成为一个给定的状态。
埃尔温·薛定谔是量子理论的创始人之一，但他对量子理论的正确性抱有深深的怀疑，并认为量子系统的演化会导致测量的态具有截然不同的性质。我强调。他著名的“薛定谔的猫”条件将量子不确定性扩展到猫死亡问题。正如我们在示例中看到的，在测量猫之前不可能为其分配活（或死）状态。
日常语言不适合解释量子互补性。原因之一是互补性并非来自日常经验。猫与空气分子和周围其他物体的相互作用不同，具体取决于它们是活着还是死了。因此，测量是自发进行的，并确定猫是生还是死。但纠缠史所描述的量子蛋糕才是真正的薛定谔猫。为了充分解释它们，我们需要考虑进化过程中每个时间点两个相互不兼容的特征——的轨迹。
在受控实验中获得纠缠的历史很困难，因为它需要收集有关量子蛋糕的部分信息。传统的量子测量通常会立即收集完整的信息，例如确定量子蛋糕的形状或颜色，而不是整个系统的部分信息。但这是可能的。这样，我们就可以对量子理论中“多世界”的出现赋予明确的数学和实验意义，并研究其本质。作者：Frank Wilczek 翻译：无审稿人：xux 原文链接：https://www.quantamagazine.org/entanglement-made-simple-20160428/tianfutianlixiangtimeshangtime 今天为大家带来外语教育研究与出版科普图书《爱丽丝漫游量子奇境》提供的优质文章。爱丽丝，这个曾经带领我们童年进入天马行空想象的女孩，不再将我们限制在狭隘的现实世界中，现在她带我们进入20世纪最重要的“幻想”之一，带你了解物理世界。 —— 量子理论。力学。作者吉尔摩用一种非常巧妙的方法将量子理论引入到著名的爱丽丝梦游仙境故事中。通过有趣的人物、梦幻般的场景、精彩的对话和生动的插图，本书将困难的理论变成易于阅读的童话故事。当猫变成薛定谔的猫，当三月兔变成兔子粒子穿越障碍，当疯帽匠变成神秘的夸克小丑，这种有趣又有趣的方式将会吸引更多的初学者，相信可以给大家带来启发。对了解量子感兴趣的人。一旦理解了理论，你就可以毫无畏惧地了解量子世界，毕竟我们生活的世界是一个真正的量子世界。 【互动问题：在物理或数学领域，你还知道哪些违反直觉的新现象？】 互动形式：坚持问答，评论区留言互动，欢迎加入。不符合格式的参赛作品将无效。为了鼓励更多的朋友参与有奖，过去四个赛季获奖的朋友将不再能够领取奖品，排名将依次顺延*本活动仅限微信平台编辑：丹尼斯
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