章魚博士2017-10-26 08:36:35

就我所知應該是靠相互作用，可以讓兩粒子相互作用（比如兩個原子間的碰撞），或者靠第三者（比如一個原子發出的光子與另一個原子作用），都可以糾纏。其實糾纏是廣泛存在的，只是可直接利用的不多。

量子糾纏

是量子力學中最難令人困惑的概念，它可以簡單的被描述為：

兩個處於未知狀態的糾纏粒子可以保持一種特殊的關聯，一旦我們測量其中一個粒子的狀態(比如該粒子的自旋向上，或“0”)，就能夠瞬間知道另一個粒子的狀態(即自旋向下，或“1)，無論它們之間的距離有多麼遠。

這種瞬時感應被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，也因此引發了愛因斯坦和玻爾的世紀論戰。過去已經有許多的實驗，包括這次墨子號的實驗，都支援了玻爾的觀點——驗證了量子力學的正確性。（關於這一爭論有興趣的讀者可閱讀《宇宙貝爾實驗室》，文中提到了貝爾不等式、隱變數、定域實在論等概念。）

。事實上，產生糾纏粒子對的方法有好幾種，但我接下來會簡單地描述一個最常被用到，也是最容易的一種。

這個方法是透過一種叫做

自發參量下轉換

（SPDC）的過程來實現量子糾纏的。聽起來好像很複雜，但其實原理很簡單。

將一個高能的光子發射到一個非線性的晶體時，該光子會被分裂成兩個只有初始能量一半的光子（

能量守恆定律

）。需要注意的是，這是一個非常低機率的事件，並不是每個光子透過晶體都會被分裂，有許多的光子會毫不受影響的透過晶體。但是一束鐳射包含了數萬億個光子，因此也能產生可觀數量的光子對。

這個過程存在著一點隨機性，比如被分裂的兩個光子朝著相同的方向傳播，這並不是我們想要的：

但是根據

動量守恆

，我們可以預測發射出來的光子對會朝相反的方向傳播，因此我們就可以正確的置放鏡片的位置。

這樣的兩個光子就算“糾纏”了麼？當然沒有，我們還需要知道一個很重要的性質，即

偏振

。光子朝著不同方向進行振動，就會有不同型別的偏振，比如水平偏振、垂直偏振或圓偏振。

如果晶體的

光學軸

是垂直的，那麼發射垂直偏振的光子後，晶體就會將它們分裂成兩個水平偏振的光子：

如果晶體的光學軸是水平的，併發射水平偏振的光子，晶體就會將它們分裂成兩個垂直偏振的光子：

但是，如果你想得到糾纏的光子，還需要一個額外的條件：偏振必須是

不確定的

。換句話說，我們無法確定被分離的光子究竟是水平偏振還是垂直偏振。

為了達到這個目的，我們需要將兩種不同型別的晶體粘在一起。接著發射一束對角的偏振光，即水平和垂直偏振光的混合態。如此，我們就無法確定究竟是哪種晶體將它們分裂，發射出來的光子就同時處於水平偏振和垂直偏振的

疊加態

：

這樣，我們就製造了一對糾纏的光子。接著，就可以將光子對分別發射到相距1203公里遠的兩個地面站。如果其中一個地面站測量了其中一個光子，並確定了它的狀態（水平偏振或垂直偏振），就立即能夠知道在另一個地面站測量到的光子的狀態。

基本上，如果你看到某個關於量子糾纏的實驗，至少有75%都是用自發參量下轉換的方法來實現量子糾纏。但是這個方法有一個缺點是，每當在實驗中製造出糾纏的光子對後，它們會被分別傳送到相距很遠的兩個點進行測量。但是在光纖和大氣中傳輸中的糾纏的光子會很快的衰減，難以長時間的維持，因此在地面上進行這個實驗的距離是非常有限的。

而在墨子號上進行實驗的優勢在於外太空的真空環境對光的傳輸會造成較少的干擾，因此可以實現長距離量子糾纏分發。在這一方面，中國已經遙遙領先。