世界上最遙遠的距離不是天涯海角，也不是地球與月球的距離，而是兩個物理量之間的量子糾纏。通過糾纏光子，你可以在沒有互聯網的情況下同時看到對方和你的信息。你甚至可以通過一個人單獨完成量子通信過程。你還可以通過對自己身體狀態的精確測量控制自己身體的其他部分。量子糾纏這一理論揭示了我們如何通過觀察、感知、測量和控制等手段實現我們對自身存在和未來發展狀態的理解。這是一種全新的物理學理論，它建立在量子力學基本原理之后的一個基本假說。
一、背景介紹
量子糾纏是一種多態現象。它是指兩個粒子相互糾纏，并且當一個粒子處于糾纏狀態時，另一個粒子處于非糾纏狀態時，也會產生非糾纏狀態。如果一個光子處于糾纏狀態，另一個光子處于非糾纏狀態，那么它們就會產生一種疊加現象，即兩個光子的疊加將會引起信號產生變化。這樣的疊加現象非常罕見。理論上證明兩個光子在一定條件下可以互相進行測量。只要在測量過程中觀察到某個測量光子，或測量到該光子的一種特性，都將引起相應的疊加現象。
1、量子物理的基本原理
量子物理是量子化的，本質就是糾纏。糾纏是一個多態現象：可以通過一種非常簡單的方法實現，就是在同一個局域系統中兩個粒子之間進行通信，兩個粒子之間存在糾纏現象，兩個粒子之間具有相互作用，且具有可重復性。當兩個粒子彼此聯系在一起時，他們彼此都可以在局域系統中進行通信。所以兩個粒子之間可以相互進行糾纏。由于粒子處于糾纏狀態和處于非糾纏狀態時的疊加現象不同，因此會產生不同的信號特征和不同的狀態。這就使得光子可以利用兩個平行光子相互傳遞信息，從而進行復雜交互和計算試驗。
2、量子通信的基本原理
量子通信的基本原理是將量子糾纏態作為信息傳遞的媒介，利用一種特殊的方法——量子隱形傳態，即對一個觀測光子（即“光子”),在極短時間內通過一個特定的電路變換出其測量位置，從而傳輸的信息安全可靠。量子通信的基本原理是：由于物理世界中的量子力學是一種非線性的理論，它必然存在不可解和不可預測的問題。因此需要設計新的科學理論，使之能夠適應不同領域的發展需求。而量子糾纏態是量子通信最核心、最重要的手段，是進行保密通信和信息加密不可破解的核心環節，是保障信息安全和通信安全性的重要基礎元件。量子糾纏是從經典物理和電磁理論出發，通過操縱某種量子力學常數來實現的。所謂“糾纏”就是兩個粒子共同處在一種狀態之中，其中原子由一個粒子控制和管理，另一個粒子的操作。為了保證糾纏態能夠實現正常的通信功能，人們必須保證兩個原子之間沒有糾纏現象產生；為了實現任意兩個原子之間的互相糾纏，人們必須保證兩種原子之間沒有糾纏現象產生；為了做到上述這些，人們必須考慮光子對和光子干涉（如激光干涉）。
3、經典量子糾纏研究基礎
經典物理學認為，量子世界是由兩個以上的量子疊加而成的，并且是相互關聯的。量子疊加在經典物理中非常普遍，是物理中廣泛使用的現象，例如經典物理學中，在微波和紅外線波信號的探測中都曾使用經典量子態檢測技術，例如，電磁波發射后觀察到的光譜信號（如紅外線),都可以使用經典光纖中的紅外線探測器進行測量。理論研究表明一個經典量子態可以同時進行多次實驗測量（即一次實驗測量和多次實驗測量）。因此，經典物理的一個重要分支是量子糾纏(Mean gain),其研究可以追溯到20世紀50年代，該分支分為三個部分：第一部分是經典量子糾纏；第二部分是量子力學；第三部分是量子精密測量。經典物理中量子糾纏和 Mean gain對實現經典量子糾纏有著極為重要的意義。Mean gain理論已經被廣泛應用于經典物理研究與實驗，研究結果可以用來解釋很多經典物理實驗現象。
4、量子糾纏應用前景
從量子糾纏的概念提出到現在，在量子力學領域已取得了一些成果。隨著量子信息技術的不斷發展，量子糾纏將成為未來信息網絡和通信技術研究的熱點和突破口。量子通信通過連接兩個以上的信號源，采用傳統的信道方式進行傳輸，很難實現在通信過程中保證安全、準確的信道傳輸。而量子信息技術有望完全解決通信安全問題，實現對信息的安全加密、對密鑰的嚴格控制等問題。此外，隨著量子糾纏技術的發展，可以在遠距離中實現遠距離通信，從而大幅提升量子通信距離。在將來隨著量子糾纏技術的進一步發展，可形成以糾纏為核心，以“糾纏”為紐帶展開的以量子通信為基礎的現代信息網絡。
二、理論假設
量子力學基本原理可以解釋人類社會中諸多現象，包括物質世界中的一切現象。在理解物質世界和社會時，量子糾纏理論的重要意義是利用量子態實現對物質和能量的操縱。量子態是一種粒子的質量和數量都不發生改變的基本粒子，具有不可克隆性。我們通過對物質的量子態進行操縱可以將世界各地不同物理量的粒子糾纏起來。
1、由于量子粒子具有量子糾纏特性，因而我們可以通過量子糾纏技術對量子態進行操縱。
我們認為，任何存在于物質世界的現象，只要能以較小的代價，在盡可能短時間內獲得極大能量，就可以被量子糾纏，使其成為一種有可能以最小的代價獲得盡可能大能量的行為。例如：我們可以將一個光子作為粒子進行操縱，讓其可以在盡可能短的時間內，以最小的代價獲得物質世界中的能量。我們的設想是：當粒子以能量為代價進行操縱時，量子糾纏態也可以像其它糾纏態一樣作為“誘餌”，讓其獲得某種能量作為報酬。當粒子達到糾纏態時，我們可以讓這個粒子像其他粒子一樣，獲得某些或全部能量，而不用付出任何代價。這將允許我們從世界上任何地方得到能量。這也就意味著，利用量子糾纏技術，我們可以實現所有能量和物質的交易。
2、通過量子糾纏技術可實現與原子、分子、離子、自由子等不同粒子之間互操作，從而實現對粒子狀態的操控，其中糾纏原子、原子、離子、自由子等粒子在物理上相互關聯，并相互影響。
例如，原子可以通過對自身進行糾纏實現相互關聯。這一關聯可以產生新量子物理現象、新能量狀態和新物理學概念。在實驗中，科學家利用一個質量為1 g的原子，可以通過對這個質量為1 g的原子實現量子糾纏。通過對該原子與另外一個原子之間的糾纏狀態進行操縱，科學家可以利用操縱原子將自己進行量子化，從而實現對原子之間的相互關聯。這種相互作用會導致一個新物質狀態，并將這個新物質狀態叫做“量子”。實驗證明，在這一過程中，單個原子的表現是獨一無二的。當兩個原子同時被實驗觀測到時，會同時獲得它們本身的狀態信息；如果這兩個原子同時被實驗觀測到，則兩個原子都會獲得他們自身狀態信息。
3、通過操控糾纏原子、原子、離子、自由子等粒子之間相互作用形成了獨特、新穎、特殊、特殊的量子理論。
量子糾纏理論的核心概念是：物質世界中任何粒子之間可以產生相互作用，這種相互作用不是自發的、不可逆的或直接作用于特定粒子，而是由粒子之間相互作用引起并通過量子力學操縱而形成。糾纏粒子之間的相互作用是一個連續過程，在這個過程中，不同時間點發生的實驗現象是不相同的。當操作一段時間后還沒有實驗結果時，我們就認為該現象是不可逆的；當操作一段時間后達到一定值時，我們就認為該現象是可逆的；當操作某段時間后，實驗結果表明該現象不是可逆的，那么就認為該現象是不可逆的。當實驗結果表明該現象是不可逆的時候，我們認為已經達到量子糾纏條件；當實驗結果表明該現象不是可逆的時，我們認為該現象是有規律可循的。實驗結果表明，當我們操縱同一物質時，實驗結果都是不可改變的；當我們操控多個物質時，實驗結果都是可逆的；當我們控制單個物質時，實驗結果都是可逆可證者；因為粒子間相互作用對單個物質不產生影響，因此它們有可能保持平衡，也有可能發生改變，因此它們可以是可控與可逆交替進行過程；當我們用不同物質操縱同一個物質時，實驗結果表明，不是可以逆可控與可逆轉交替進行過程；當我們用不同多個物質進行操縱時，實驗結果則證明不存在可逆可逆轉或不可逆交替現象。
三、量子糾纏的實驗原理與典型應用
量子糾纏是指兩個粒子具有相同的屬性，且兩個粒子間具有不可克隆性，這種特性使它們具有極其強大的糾纏能力，同時，這種相互作用使得量子信息在空間和時間尺度上都具有不可干擾性。這是一種神奇但不可思議的現象。目前科學家已經知道，宇宙中存在一個巨大的真空系統，它的內部是由一系列不同的粒子組成的，它們彼此之間都有著強大的聯系。人們可以通過控制這些粒子，讓它們相互發生作用，進而對其產生不可干擾性，這就是人們所說的“上帝粒子”。人類可以通過控制這些粒子形成某種復雜的狀態并通過相應的方式讓它們發生不可干擾的作用，從而使信息在空間和時間尺度上保持不可分割性，這就是我們所說的隱形傳態、可擴展計算和可視化等量子技術。未來將有可能通過對兩個物理量之間的糾纏進行直接測量來完成對這一過程的控制與測量設備，如我們目前所使用的大型計算機（如個人電腦）等計算機軟硬件。
1、隱形傳態
量子隱形傳態是一種使用量子物理學原理將信息以某種特定方式傳輸給遠程接收方所必須要傳遞的量子力學信息。量子隱形傳態是人類最早的傳態實驗之一，也是人類首次成功利用量子態傳輸信息的實驗。自2003年“墨子號”遨游太空，將量子信息傳遞到地球的實驗成功以來，科學家們已通過量子隱形傳態技術進行了數十次量子通信實驗，積累了豐富的科學實驗經驗。利用量子光學、量子密碼等技術，將通信過程中產生的量子噪聲消除掉（也稱為“無信號處理”),不僅能實現低成本數據信息傳送，還能將整個信息傳輸到地球之外。例如，美國耶魯大學研究人員用糾纏光光子對中繼衛星進行光子成像，利用多對多脈沖糾纏光技術實現光子在空間中的高效隱形傳輸。當糾纏光光子對發送到衛星上后，衛星可以用多個波段多光子對中繼衛星實施光通信，從而實現遠程中繼衛星通信及無信號處理。
2、可擴展計算
根據量子計算的原理，可通過改變量子計算機的硬件，來實現對海量計算資源的有效利用，這就可能解決傳統計算機計算資源無法滿足信息處理需求和擴展計算資源的難題。目前在商用的計算機中，量子計算機由于具有運算速度快、存儲容量大、功耗低等特點，因此得到了廣泛的應用。中國科學院院士、中國科學院大學副校長劉經南表示，目前，我國正在研發基于不同類型量子計算模塊的超級計算機。2016年7月，國家973計劃“高性能計算與人工智能技術”首席科學家朱進院士在接受媒體采訪時表示，“高性能計算與人工智能技術將是未來10年乃至20年我國人工智能技術發展最重要的兩個方向。”對于未來的發展方向，朱進院士表示，“可以將計算機分為數據處理、模擬計算、人工智能和芯片制造等四個部分。在這四個部分中，數據處理是核心環節。”
3、可視化
量子信息的可視化是指通過對各種量子信息狀態進行不同形式的可視化處理，將這些量子信息進行圖形化呈現，以便于人們更直觀地理解這些信息的意義。目前，一些公司已經開始將量子可視化技術用于其數字媒體的開發中。例如，微軟在 Windows平臺上推出了基于計算機視覺的數字電影技術等。一些廠商也正在研究將量子信息可視化的方式用于商業領域。例如，微軟正在開發基于量子計算機的數字圖像技術；英特爾推出了基于量子計算機的圖像處理軟件 Visual C++; IBM正在開發基于糾纏比特技術的新一代高性能視覺處理軟件 Visual E Processor等。這些應用都將使量子信息技術具備更為廣闊的發展前景。
4、量子信息
量子信息是指量子信息與糾纏無關，它是實現計算機科學、物理學和信息論有機結合的產物，是一種實現量子計算的新型計算方式。量子信息具有比傳統電子信息更加強大的處理能力，是目前世界科技領域最重要的前沿技術之一。量子糾纏現象不僅能夠使信息呈現出不可分割的狀態，而且對信息處理過程中關鍵參數的精確測量也有著重要的意義。目前，已有不少國家相繼推出了相關的量子信息技術產品，如英國已經將量子信息技術作為未來最有潛力的研究方向之一。日本和韓國正在研發以“電子”為核心的電子信息技術。
四、中國在量子科學領域的現狀及其未來前景
據媒體報道,2020年中國國家科學技術獎勵大會已正式揭曉。除了我國的三大量子科學領域：量子通信、量子計算、超導磁懸浮列車，還有我國科學家的量子力學最新研究成果——三大粒子糾纏在一起，實現了全球首次多點隱形傳態、高精度干涉和多光子糾纏分發。此外，該團隊還在超導磁懸浮列車開發取得新進展。該項目由中國科學技術大學和中國科學院合肥物質科學研究院共同牽頭進行。這是繼2012年“墨子號”成功發射之后一個重要進展，標志著我國在量子科學領域取得的重大成果。未來，我國量子通信網絡將實現從京滬到粵港澳大灣區、從北京到上海以及全國各地的廣域量子通信網絡應用，對實現跨省量子保密通信具有重要意義。中國在科學研究領域取得了一些新的進展，取得了重大的研究成果和進展，如四大體系物理定律之一“伊坎德律——潘帕斯悖論”對量子力學及其應用的精確解釋；首次實現雙光子在糾纏態下的非定域量子調控；實現單光子在空間尺度上對任意多個粒子在空間尺度上的準確控制；完成人類歷史上首次量子隱形傳態及其應用；將物理經典極限和量子通信理論提升到全新水平。
1、中國目前量子計算與量子計算平臺研究現狀
中國在量子計算領域的研究主要集中在兩個方面：一是利用單光子實現量子物理計算，二是用多光子態實現量子計算。而目前，盡管在量子計算領域有很多重要成果，但目前為止仍然沒有一個通用的量子計算機平臺。因此，各國的研究者們都將目光聚焦于其他方向：例如通用平臺（例如超算）、專用平臺（例如通用量子比特）。此外，中國還積極開展自主量子硬件研發，建設了目前最先進的國產高功率超導量子芯片平臺。而國內的科研機構與高校也為我國量子軟硬件研制提供強有力的支持與保障。
2、中國和其他國家已經建立良好合作關系
隨著中國科學技術和經濟的快速發展，量子科學已成為中國和其他國家之間的一種技術合作，這種合作使得中國在相關研究領域處于領先地位，從而更容易獲取數據且能更快地進行驗證。為了獲得更多相關數據，中國已經建立了一個龐大的基礎設施網絡。例如，在中國，基于光纖傳輸的光纖寬帶互聯網服務已經達到5300公里，而量子通信網絡已經實現600公里；它還配備了高分辨率光傳感器，用于測量整個地球環境并繪制地球表面的三維地圖。自2014年以來，中國政府與歐洲和日本保持著良好的合作關系，這些國家擁有全球最先進的設備。近年來，中國與美國和英國之間有合作關系。根據美國《科學》雜志報道,2019年，美國總統特朗普表示，他支持中國在量子通信領域的創新，并希望通過與中國科技公司的合作，使美國能夠繼續引領世界量子通信標準。中國正在與歐洲之間建立廣泛合作關系，以研究量子通訊技術，同時與英國和德國建立密切的伙伴關系。
3、中國仍有巨大的科研潛力有待開發
雖然說，近幾年來，在國家層面的支持和鼓勵下，我國量子科學發展勢頭強勁，但是在量子科學基礎研究領域，仍然有巨大的發展潛力，這其中就包括中國的科研人員。因為他們都來自于國內高校和科研機構，他們都有多年的科研經歷和積累。并且，還有很大一部分人選擇了出國留學作為科研深造的主要方式。這一做法確實可以讓很多優秀的科研人員出國學習和深造，但是如果這些研究成果不能迅速成為生產力，則很難獲得國家的支持。因此，中國的許多高水平的研究人員都是走出國門，到國外去學習科研，這將對中國企業和其他科研人員發展技術和推動我國的經濟增長產生重大影響。未來也將有更多年輕科技人員來到國外深造和工作，將為中國發展科學技術和產業提供新的動力。
4、中國在超導超導量子計算領域的主要進展
中國在科研領域的另一個重大進展是超導量子計算，該研究主要針對利用糾纏和冷原子控制方法可以實現在有限波長范圍內可控的量子計算設備。2016年6月，中國科學院物理研究所王宇航研究組與復旦大學張強研究組聯合研制出第一臺超導量子計算樣機——“龍騰”，并成功實現相干測量。在今年早些時候發表在《物理評論快報》上的另一項重要進展是：該團隊成功地實現了糾纏態隱形傳態、非定域調控和單光子的量子調控；并發展了基于超低溫的新型超導光探測器——超導超低溫光柵。從該小組發布的研究成果來看，目前中國已經開始在這一領域進一步前進了。除此之外，在我國科學家最近幾年里還提出了基于光纖的量子計算系統：他們利用光纖和光接收器將量子計算機與其光纖相連，并將基于量子計算機進行優化和模擬計算。該技術有望使中國成為最早實現量子計算產業化并得到快速發展的國家之一。
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