量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象 ，它指的是处于纠缠状态的两个量子，不论相隔多远，都 会存在 一种关联，其中一个量子状态发生了改变，另一个量子的状态也会瞬时发生相应改变，无视空间的限制。
世界上最遥远的距离不是天涯海角，也不是地球与月球的距离，而是两个物理量之间的量子纠缠。通过纠缠光子，你可以在没有互联网的情况下同时看到对方和你的信息。你甚至可以通过一个人单独完成量子通信过程。你还可以通过对自己身体状态的精确测量控制自己身体的其他部分。量子纠缠这一理论揭示了我们如何通过观察、感知、测量和控制等手段实现我们对自身存在和未来发展状态的理解。这是一种全新的物理学理论，它建立在量子力学基本原理之后的一个基本假说。
一、背景介绍
量子纠缠是一种多态现象。它是指两个粒子相互纠缠，并且当一个粒子处于纠缠状态时，另一个粒子处于非纠缠状态时，也会产生非纠缠状态。如果一个光子处于纠缠状态，另一个光子处于非纠缠状态，那么它们就会产生一种叠加现象，即两个光子的叠加将会引起信号产生变化。这样的叠加现象非常罕见。理论上证明两个光子在一定条件下可以互相进行测量。只要在测量过程中观察到某个测量光子，或测量到该光子的一种特性，都将引起相应的叠加现象。
1、量子物理的基本原理
量子物理是量子化的，本质就是纠缠。纠缠是一个多态现象：可以通过一种非常简单的方法实现，就是在同一个局域系统中两个粒子之间进行通信，两个粒子之间存在纠缠现象，两个粒子之间具有相互作用，且具有可重复性。当两个粒子彼此联系在一起时，他们彼此都可以在局域系统中进行通信。所以两个粒子之间可以相互进行纠缠。由于粒子处于纠缠状态和处于非纠缠状态时的叠加现象不同，因此会产生不同的信号特征和不同的状态。这就使得光子可以利用两个平行光子相互传递信息，从而进行复杂交互和计算试验。
2、量子通信的基本原理
量子通信的基本原理是将量子纠缠态作为信息传递的媒介，利用一种特殊的方法——量子隐形传态，即对一个观测光子（即“光子”),在极短时间内通过一个特定的电路变换出其测量位置，从而传输的信息安全可靠。量子通信的基本原理是：由于物理世界中的量子力学是一种非线性的理论，它必然存在不可解和不可预测的问题。因此需要设计新的科学理论，使之能够适应不同领域的发展需求。而量子纠缠态是量子通信最核心、最重要的手段，是进行保密通信和信息加密不可破解的核心环节，是保障信息安全和通信安全性的重要基础元件。量子纠缠是从经典物理和电磁理论出发，通过操纵某种量子力学常数来实现的。所谓“纠缠”就是两个粒子共同处在一种状态之中，其中原子由一个粒子控制和管理，另一个粒子的操作。为了保证纠缠态能够实现正常的通信功能，人们必须保证两个原子之间没有纠缠现象产生；为了实现任意两个原子之间的互相纠缠，人们必须保证两种原子之间没有纠缠现象产生；为了做到上述这些，人们必须考虑光子对和光子干涉（如激光干涉）。
3、经典量子纠缠研究基础
经典物理学认为，量子世界是由两个以上的量子叠加而成的，并且是相互关联的。量子叠加在经典物理中非常普遍，是物理中广泛使用的现象，例如经典物理学中，在微波和红外线波信号的探测中都曾使用经典量子态检测技术，例如，电磁波发射后观察到的光谱信号（如红外线),都可以使用经典光纤中的红外线探测器进行测量。理论研究表明一个经典量子态可以同时进行多次实验测量（即一次实验测量和多次实验测量）。因此，经典物理的一个重要分支是量子纠缠(Mean gain),其研究可以追溯到20世纪50年代，该分支分为三个部分：第一部分是经典量子纠缠；第二部分是量子力学；第三部分是量子精密测量。经典物理中量子纠缠和 Mean gain对实现经典量子纠缠有着极为重要的意义。Mean gain理论已经被广泛应用于经典物理研究与实验，研究结果可以用来解释很多经典物理实验现象。
4、量子纠缠应用前景
从量子纠缠的概念提出到现在，在量子力学领域已取得了一些成果。随着量子信息技术的不断发展，量子纠缠将成为未来信息网络和通信技术研究的热点和突破口。量子通信通过连接两个以上的信号源，采用传统的信道方式进行传输，很难实现在通信过程中保证安全、准确的信道传输。而量子信息技术有望完全解决通信安全问题，实现对信息的安全加密、对密钥的严格控制等问题。此外，随着量子纠缠技术的发展，可以在远距离中实现远距离通信，从而大幅提升量子通信距离。在将来随着量子纠缠技术的进一步发展，可形成以纠缠为核心，以“纠缠”为纽带展开的以量子通信为基础的现代信息网络。
二、理论假设
量子力学基本原理可以解释人类社会中诸多现象，包括物质世界中的一切现象。在理解物质世界和社会时，量子纠缠理论的重要意义是利用量子态实现对物质和能量的操纵。量子态是一种粒子的质量和数量都不发生改变的基本粒子，具有不可克隆性。我们通过对物质的量子态进行操纵可以将世界各地不同物理量的粒子纠缠起来。
1、由于量子粒子具有量子纠缠特性，因而我们可以通过量子纠缠技术对量子态进行操纵。
我们认为，任何存在于物质世界的现象，只要能以较小的代价，在尽可能短时间内获得极大能量，就可以被量子纠缠，使其成为一种有可能以最小的代价获得尽可能大能量的行为。例如：我们可以将一个光子作为粒子进行操纵，让其可以在尽可能短的时间内，以最小的代价获得物质世界中的能量。我们的设想是：当粒子以能量为代价进行操纵时，量子纠缠态也可以像其它纠缠态一样作为“诱饵”，让其获得某种能量作为报酬。当粒子达到纠缠态时，我们可以让这个粒子像其他粒子一样，获得某些或全部能量，而不用付出任何代价。这将允许我们从世界上任何地方得到能量。这也就意味着，利用量子纠缠技术，我们可以实现所有能量和物质的交易。
2、通过量子纠缠技术可实现与原子、分子、离子、自由子等不同粒子之间互操作，从而实现对粒子状态的操控，其中纠缠原子、原子、离子、自由子等粒子在物理上相互关联，并相互影响。
例如，原子可以通过对自身进行纠缠实现相互关联。这一关联可以产生新量子物理现象、新能量状态和新物理学概念。在实验中，科学家利用一个质量为1 g的原子，可以通过对这个质量为1 g的原子实现量子纠缠。通过对该原子与另外一个原子之间的纠缠状态进行操纵，科学家可以利用操纵原子将自己进行量子化，从而实现对原子之间的相互关联。这种相互作用会导致一个新物质状态，并将这个新物质状态叫做“量子”。实验证明，在这一过程中，单个原子的表现是独一无二的。当两个原子同时被实验观测到时，会同时获得它们本身的状态信息；如果这两个原子同时被实验观测到，则两个原子都会获得他们自身状态信息。
3、通过操控纠缠原子、原子、离子、自由子等粒子之间相互作用形成了独特、新颖、特殊、特殊的量子理论。
量子纠缠理论的核心概念是：物质世界中任何粒子之间可以产生相互作用，这种相互作用不是自发的、不可逆的或直接作用于特定粒子，而是由粒子之间相互作用引起并通过量子力学操纵而形成。纠缠粒子之间的相互作用是一个连续过程，在这个过程中，不同时间点发生的实验现象是不相同的。当操作一段时间后还没有实验结果时，我们就认为该现象是不可逆的；当操作一段时间后达到一定值时，我们就认为该现象是可逆的；当操作某段时间后，实验结果表明该现象不是可逆的，那么就认为该现象是不可逆的。当实验结果表明该现象是不可逆的时候，我们认为已经达到量子纠缠条件；当实验结果表明该现象不是可逆的时，我们认为该现象是有规律可循的。实验结果表明，当我们操纵同一物质时，实验结果都是不可改变的；当我们操控多个物质时，实验结果都是可逆的；当我们控制单个物质时，实验结果都是可逆可证者；因为粒子间相互作用对单个物质不产生影响，因此它们有可能保持平衡，也有可能发生改变，因此它们可以是可控与可逆交替进行过程；当我们用不同物质操纵同一个物质时，实验结果表明，不是可以逆可控与可逆转交替进行过程；当我们用不同多个物质进行操纵时，实验结果则证明不存在可逆可逆转或不可逆交替现象。
三、量子纠缠的实验原理与典型应用
量子纠缠是指两个粒子具有相同的属性，且两个粒子间具有不可克隆性，这种特性使它们具有极其强大的纠缠能力，同时，这种相互作用使得量子信息在空间和时间尺度上都具有不可干扰性。这是一种神奇但不可思议的现象。目前科学家已经知道，宇宙中存在一个巨大的真空系统，它的内部是由一系列不同的粒子组成的，它们彼此之间都有着强大的联系。人们可以通过控制这些粒子，让它们相互发生作用，进而对其产生不可干扰性，这就是人们所说的“上帝粒子”。人类可以通过控制这些粒子形成某种复杂的状态并通过相应的方式让它们发生不可干扰的作用，从而使信息在空间和时间尺度上保持不可分割性，这就是我们所说的隐形传态、可扩展计算和可视化等量子技术。未来将有可能通过对两个物理量之间的纠缠进行直接测量来完成对这一过程的控制与测量设备，如我们目前所使用的大型计算机（如个人电脑）等计算机软硬件。
1、隐形传态
量子隐形传态是一种使用量子物理学原理将信息以某种特定方式传输给远程接收方所必须要传递的量子力学信息。量子隐形传态是人类最早的传态实验之一，也是人类首次成功利用量子态传输信息的实验。自2003年“墨子号”遨游太空，将量子信息传递到地球的实验成功以来，科学家们已通过量子隐形传态技术进行了数十次量子通信实验，积累了丰富的科学实验经验。利用量子光学、量子密码等技术，将通信过程中产生的量子噪声消除掉（也称为“无信号处理”),不仅能实现低成本数据信息传送，还能将整个信息传输到地球之外。例如，美国耶鲁大学研究人员用纠缠光光子对中继卫星进行光子成像，利用多对多脉冲纠缠光技术实现光子在空间中的高效隐形传输。当纠缠光光子对发送到卫星上后，卫星可以用多个波段多光子对中继卫星实施光通信，从而实现远程中继卫星通信及无信号处理。
2、可扩展计算
根据量子计算的原理，可通过改变量子计算机的硬件，来实现对海量计算资源的有效利用，这就可能解决传统计算机计算资源无法满足信息处理需求和扩展计算资源的难题。目前在商用的计算机中，量子计算机由于具有运算速度快、存储容量大、功耗低等特点，因此得到了广泛的应用。中国科学院院士、中国科学院大学副校长刘经南表示，目前，我国正在研发基于不同类型量子计算模块的超级计算机。2016年7月，国家973计划“高性能计算与人工智能技术”首席科学家朱进院士在接受媒体采访时表示，“高性能计算与人工智能技术将是未来10年乃至20年我国人工智能技术发展最重要的两个方向。”对于未来的发展方向，朱进院士表示，“可以将计算机分为数据处理、模拟计算、人工智能和芯片制造等四个部分。在这四个部分中，数据处理是核心环节。”
3、可视化
量子信息的可视化是指通过对各种量子信息状态进行不同形式的可视化处理，将这些量子信息进行图形化呈现，以便于人们更直观地理解这些信息的意义。目前，一些公司已经开始将量子可视化技术用于其数字媒体的开发中。例如，微软在 Windows平台上推出了基于计算机视觉的数字电影技术等。一些厂商也正在研究将量子信息可视化的方式用于商业领域。例如，微软正在开发基于量子计算机的数字图像技术；英特尔推出了基于量子计算机的图像处理软件 Visual C++; IBM正在开发基于纠缠比特技术的新一代高性能视觉处理软件 Visual E Processor等。这些应用都将使量子信息技术具备更为广阔的发展前景。
4、量子信息
量子信息是指量子信息与纠缠无关，它是实现计算机科学、物理学和信息论有机结合的产物，是一种实现量子计算的新型计算方式。量子信息具有比传统电子信息更加强大的处理能力，是目前世界科技领域最重要的前沿技术之一。量子纠缠现象不仅能够使信息呈现出不可分割的状态，而且对信息处理过程中关键参数的精确测量也有着重要的意义。目前，已有不少国家相继推出了相关的量子信息技术产品，如英国已经将量子信息技术作为未来最有潜力的研究方向之一。日本和韩国正在研发以“电子”为核心的电子信息技术。
四、中国在量子科学领域的现状及其未来前景
据媒体报道,2020年中国国家科学技术奖励大会已正式揭晓。除了我国的三大量子科学领域：量子通信、量子计算、超导磁悬浮列车，还有我国科学家的量子力学最新研究成果——三大粒子纠缠在一起，实现了全球首次多点隐形传态、高精度干涉和多光子纠缠分发。此外，该团队还在超导磁悬浮列车开发取得新进展。该项目由中国科学技术大学和中国科学院合肥物质科学研究院共同牵头进行。这是继2012年“墨子号”成功发射之后一个重要进展，标志着我国在量子科学领域取得的重大成果。未来，我国量子通信网络将实现从京沪到粤港澳大湾区、从北京到上海以及全国各地的广域量子通信网络应用，对实现跨省量子保密通信具有重要意义。中国在科学研究领域取得了一些新的进展，取得了重大的研究成果和进展，如四大体系物理定律之一“伊坎德律——潘帕斯悖论”对量子力学及其应用的精确解释；首次实现双光子在纠缠态下的非定域量子调控；实现单光子在空间尺度上对任意多个粒子在空间尺度上的准确控制；完成人类历史上首次量子隐形传态及其应用；将物理经典极限和量子通信理论提升到全新水平。
1、中国目前量子计算与量子计算平台研究现状
中国在量子计算领域的研究主要集中在两个方面：一是利用单光子实现量子物理计算，二是用多光子态实现量子计算。而目前，尽管在量子计算领域有很多重要成果，但目前为止仍然没有一个通用的量子计算机平台。因此，各国的研究者们都将目光聚焦于其他方向：例如通用平台（例如超算）、专用平台（例如通用量子比特）。此外，中国还积极开展自主量子硬件研发，建设了目前最先进的国产高功率超导量子芯片平台。而国内的科研机构与高校也为我国量子软硬件研制提供强有力的支持与保障。
2、中国和其他国家已经建立良好合作关系
随着中国科学技术和经济的快速发展，量子科学已成为中国和其他国家之间的一种技术合作，这种合作使得中国在相关研究领域处于领先地位，从而更容易获取数据且能更快地进行验证。为了获得更多相关数据，中国已经建立了一个庞大的基础设施网络。例如，在中国，基于光纤传输的光纤宽带互联网服务已经达到5300公里，而量子通信网络已经实现600公里；它还配备了高分辨率光传感器，用于测量整个地球环境并绘制地球表面的三维地图。自2014年以来，中国政府与欧洲和日本保持着良好的合作关系，这些国家拥有全球最先进的设备。近年来，中国与美国和英国之间有合作关系。根据美国《科学》杂志报道,2019年，美国总统特朗普表示，他支持中国在量子通信领域的创新，并希望通过与中国科技公司的合作，使美国能够继续引领世界量子通信标准。中国正在与欧洲之间建立广泛合作关系，以研究量子通讯技术，同时与英国和德国建立密切的伙伴关系。
3、中国仍有巨大的科研潜力有待开发
虽然说，近几年来，在国家层面的支持和鼓励下，我国量子科学发展势头强劲，但是在量子科学基础研究领域，仍然有巨大的发展潜力，这其中就包括中国的科研人员。因为他们都来自于国内高校和科研机构，他们都有多年的科研经历和积累。并且，还有很大一部分人选择了出国留学作为科研深造的主要方式。这一做法确实可以让很多优秀的科研人员出国学习和深造，但是如果这些研究成果不能迅速成为生产力，则很难获得国家的支持。因此，中国的许多高水平的研究人员都是走出国门，到国外去学习科研，这将对中国企业和其他科研人员发展技术和推动我国的经济增长产生重大影响。未来也将有更多年轻科技人员来到国外深造和工作，将为中国发展科学技术和产业提供新的动力。
4、中国在超导超导量子计算领域的主要进展
中国在科研领域的另一个重大进展是超导量子计算，该研究主要针对利用纠缠和冷原子控制方法可以实现在有限波长范围内可控的量子计算设备。2016年6月，中国科学院物理研究所王宇航研究组与复旦大学张强研究组联合研制出第一台超导量子计算样机——“龙腾”，并成功实现相干测量。在今年早些时候发表在《物理评论快报》上的另一项重要进展是：该团队成功地实现了纠缠态隐形传态、非定域调控和单光子的量子调控；并发展了基于超低温的新型超导光探测器——超导超低温光栅。从该小组发布的研究成果来看，目前中国已经开始在这一领域进一步前进了。除此之外，在我国科学家最近几年里还提出了基于光纤的量子计算系统：他们利用光纤和光接收器将量子计算机与其光纤相连，并将基于量子计算机进行优化和模拟计算。该技术有望使中国成为最早实现量子计算产业化并得到快速发展的国家之一。
