量子计算、量子加密以及与量子有关的各种技术频繁出现在新闻报道中。这些报道几乎无一例外地提到了纠缠，这一量子物理特性使得众多神奇的设备成为可能。

纠缠被爱因斯坦冠以“鬼魅般的超距作用”之名，这个术语逐渐家喻户晓。构建量子计算机之外，理解和利用纠缠在其他领域也大有裨益。

例如，它可以被用来更精确地探测引力波，帮助我们更好地理解奇特材料的属性。在其他学科中，纠缠也能更准确地揭示真相：我一直在研究粒子是如何相互撞击形成纠缠的，并试图理解它如何影响原子钟的精确性。

但是，纠缠究竟是什么？如何理解这种“诡异”的现象？我将尝试通过结合物理学中的两个基本概念来解释它：守恒定律和量子叠加。

守恒定律

守恒定律是物理学中最基础、最重要的原则之一。能量守恒定律表明，一个封闭（孤立）系统的总能量保持不变，能量可以从一种形式（如电能、机械能或热能）转换为另一种形式。这个定律是所有机器运作的基础，无论是蒸汽机还是电车。守恒定律就像一本会计账簿：你可以稍稍改变周围的一些能量，但总数必须保持不变。

动量守恒（动量是质量与速度的乘积）可以解释为什么两个体重不同的滑冰者相撞后会分开，体重较轻的那个会滑得更远更快。守恒定律还解释了那句著名的格言：每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。（再次以滑冰者为例）角动量守恒则解释了滑冰者通过拉近手臂来旋转自己会更快地靠近中心。

这些守恒定律已被广泛的实验所证实，它们在宇宙的广阔尺度上都发挥着作用，从小至电子的旋转到大至星系里的黑洞。

量子领域的补充

想象你在森林中享受徒步旅行。在小径上遇到一个岔路口，你犹豫不决是走左边还是右边。左边的小径阴暗但通往美丽的景色；右边的小径阳光明媚但道路崎岖。你最终选择了右边，但心里还是对左边小径念念不忘。在量子世界里，你可以同时选择两条路。

对于孤立的量子系统而言，其中的规则更加有趣。以陀螺为例，一个原子可以顺时针旋转，也可以逆时针旋转。尽管与陀螺不同，它仍然可以处于[顺时针旋转]和[逆时针旋转]的叠加状态。

量子系统可以相加相减。从数学角度看，量子态的组合规则与向量的加减规则相似。对于这样的量子态组合，现实世界呈现出叠加的状态。你可能听说过背后隐藏着奇怪量子效应的双缝实验或波粒二象性。

你决定迫使一个处于[顺时针旋转]和[逆时针旋转]叠加态的电子给出一个确定的答案。然后，处于自由旋转状态的电子要么停在[顺时针旋转]状态，要么停在[逆时针旋转]状态。两种结果出现的概率很容易计算（手头有一本好的物理书的话）。如果你认为宇宙应该完全按照预定的方式运行，那么这个过程内在的随机性可能会让你不安。然而，这就是我们所经历的（实验测试）……

守恒定律和量子力学

现在，让我们将这两个概念结合起来，并将能量守恒定律应用到一对量子粒子上。

假设有一对量子粒子（原子），它们共有100单位的能量。你和你的朋友各持一个粒子，你会发现自己持有的粒子有40单位能量。通过能量守恒定律，你可以推断出你的朋友持有的粒子有60单位的能量。一旦你了解了自己原子的能量，你也就立即知道了你朋友原子的能量。哪怕你朋友不告诉你任何信息，你也能知道。哪怕你测量原子能量的同时你的朋友正位于银河系的另一端，你也能知道。它们之间没有什么可怕的（一旦你意识到这只是一种关联而非因果关系）。

但这对原子的量子状态可能更有趣。这对原子的能量可以以多种方式分配（当然，这符合能量守恒定律）。这对原子的组合状态是叠加态，例如：[你的原子：60单位；你朋友的原子：40单位]+[你的原子：70单位；你朋友的原子：30单位]。

这就是所谓的纠缠态。无论是你的原子还是你朋友的原子，其能量在叠加态下都不是明确的。然而，根据能量守恒定律，这两个原子的性质是相关的：它们的能量总和始终等于100单位。

例如，如果你测量自己的原子发现其具有70单位的能量，那么你就能确定你朋友的原子具有30单位的能量。哪怕你朋友不告诉你任何信息，你也能知道。多亏了能量守恒定律，哪怕你朋友在银河系的另一端你也能知道你朋友的原子能量。