量子计算机、量子密码学和量子最近经常出现在新闻中。关于它们的文章不可避免地提到纠缠，量子物理学的一种特性使所有这些神奇的装置成为可能。

爱因斯坦称纠缠为“幽灵般的远距离作用”，这个名字已经流行并越来越流行。除了构建更好的量子计算机之外，理解和利用纠缠在其他方面也很有用。

例如，它可用于对引力波进行更准确的测量，并更好地了解奇异材料的特性。它也巧妙地出现在其他地方：我一直在研究相互碰撞的原子如何纠缠，以了解这如何影响原子钟的准确性。

但什么是纠缠？有什么方法可以理解这种“怪异”现象吗？我将尝试通过将物理学中的两个概念结合起来来解释它：守恒定律和量子叠加。

保护法

守恒定律是所有物理学中一些最深刻和最普遍的概念。能量守恒定律指出，孤立系统中的能量总量保持不变（尽管它可以从电能转换为机械能再转换为热能，等等）。这条定律是我们所有机器工作的基础，无论它们是蒸汽机还是电动汽车。守恒定律是一种会计报表：你可以交换一些能量，但总量必须保持不变。

动量守恒（动量是质量乘以速度）是当两个不同质量的滑冰运动员相互推开时，较轻的滑冰者比较重的滑冰者移动得更快的原因。这条定律也是著名格言的基础，即“每一个动作都有一个相等和相反的反应”。养护角动量是为什么-再次回到滑冰-一个旋转的花样滑冰运动员可以旋转速度更快通过绘制她的胳膊靠近她的身体。

这些守恒定律已经过实验验证，适用于宇宙中超乎寻常的尺度范围，从遥远星系中的黑洞一直到最微小的自旋电子。

量子加成

想象自己在树林中徒步旅行。您来到小路上的一个岔路口，但您发现自己正在艰难地决定是向左还是向右。左边的小路看起来又黑又暗，但据说可以看到一些不错的景色，而右边的小路看起来阳光明媚但很陡峭。你最终决定向右走，若有所思地想着没有走的路。在量子世界中，您可以同时选择两者。

对于量子力学描述的系统（即与热和外部干扰充分隔离的事物），规则更有趣。就像陀螺一样，例如电子可以处于顺时针旋转的状态，也可以处于逆时针旋转的另一种状态。与陀螺不同的是，它也可以处于[顺时针旋转] + [逆时针旋转] 的状态。

量子系统的状态可以相加或相减。在数学上，组合量子态的规则可以用与向量相加和相减的规则相同的方式来描述。这种量子态组合的词是叠加。这就是您可能听说过的奇怪量子效应背后的真正原因，例如双缝实验或粒子波二象性。

假设您决定强制电子处于[顺时针旋转] + [逆时针旋转]叠加状态以产生明确的答案。然后电子随机以[顺时针旋转]状态或[逆时针旋转]状态结束。一个结果与另一个结果的几率很容易计算（手头有一本好的物理书）。如果您的世界观要求宇宙以完全可预测的方式运行，则此过程的内在随机性可能会困扰您，但是…… c'est la（经实验测试）vie。

守恒定律和量子力学

现在让我们把这两个想法放在一起，把能量守恒定律应用到一对量子粒子上。

想象一下一对量子粒子（比如原子），它们以总共 100 个能量单位开始。你和你的朋友把这对分开，每人拿一个。你发现你的有 40 个单位的能量。使用能量守恒定律，您推断您朋友拥有的那个必须有 60 个单位的能量。一旦你知道了你的原子的能量，你就会立刻知道你朋友的原子的能量。即使您的朋友从未向您透露任何信息，您也会知道这一点。即使你的朋友在你测量原子能量时在银河系的另一边，你也会知道这一点。没什么可怕的（一旦你意识到这只是相关性，而不是因果关系）。

但是一对原子的量子态可能更有趣。这对能量可以以多种可能的方式进行分配（当然与能量守恒一致）。这对原子的组合状态可以处于叠加状态，例如：

[你的原子：60个单位；朋友的原子：40 单位] + [你的原子：70 单位；朋友的原子：30 个单位]。

这是两个原子的纠缠态。无论是你的原子还是你朋友的原子，在这种叠加态中都没有确定的能量。然而，由于能量守恒，这两个原子的性质是相关的：它们的能量总和为 100 个单位。

例如，如果您测量您的原子并发现它处于具有 70 个能量单位的状态，您可以确定您朋友的原子具有 30 个能量单位。即使您的朋友从未向您透露任何信息，您也会知道这一点。多亏了能量守恒，即使你的朋友在银河系的另一边，你也会知道这一点。

这不难理解的。