上帝擲骰子？從擲骰子遊戲搞懂“量子糾纏”

自從我國第一顆量子衛星“墨子號”升空之後，科學圈、新聞圈、軍事圈乃至炒股圈、娛樂圈都要和量子糾纏扯上點關係。“量子糾纏”成為最為時髦，前沿的概念。以至於出現了諸如“薛定諤的男友”等新興詞彙，

這些詞彙多多少少都隱含了量子糾纏的概念在裡面。

墨子號衛星圖

那麼，什麼是量子糾纏呢？我們從一個“經典”的擲骰子遊戲來嘗試瞭解“量子糾纏”。

我們知道，一個“經典”的骰子有六個面，上面分別寫著“1-6”。每個面相互獨立，任何時刻只會有一面朝上。

也就是說，如果用一個骰盅蓋住一個骰子，然後搖動骰盅，那麼骰盅裡面的骰子將會隨機地出現“1-6”中的一面，當我們揭開骰盅的時候，我們觀察骰子，就能確定骰子呈上面的究竟是呈現“1-6”的具體哪一面。

以上的“經典”搖骰的遊戲很好理解，甚至大家會覺得是一個理所當然的過程。下面將這個“經典”搖骰遊戲推廣到“量子”搖骰遊戲。

假如我們的骰盅下面現在不再是“經典”的骰子，

而是“光子”或者其他量子。以具體一個光子為例，一個光子的某個物理量有幾種可能的值，譬如光子的偏振等（呃呃？啥東西，沒關係。這不是理解的重點）類比一個經典骰子，可以將光子的某個物理量的某幾種狀態當作骰子的幾個面。在骰盅未揭開之前（也就是未實施特定的觀察行為之前），光子這個特定的物理量究竟是處於哪種狀態，和經典骰子哪個數位呈上。同樣都是未知的，不確定的。

到這裡，還是沒什麼稀奇的地方。下面才是量子理論最讓人覺得不可思議的地方。我們說骰盅裡面的光子的狀態存在一種不確定的狀態。這種不確定的狀態是絕對意義上的不確定。這種不確定的和經典搖骰遊戲裡，我們沒揭開骰盅時候，說我們不知道、不確定骰子哪個數字呈上是不一樣的。因為即使骰盅沒揭開，骰子是肯定有具體某一面向上。

只不過我們不知道，沒能觀察到罷了，因而這種不確定是一種相對的、由於缺乏觀察能力導致的不確定。

而骰盅裡面的光子的某個物理量的不確定性，是一種客觀存在上的不確定性，它處於幾種可能的物理狀態的疊加態。當未被觀察的時候它處於所有可能狀態的疊加態，一旦被觀察，（也就是揭開骰盅）。它就會呈現出具體的某一種狀態。這個過程為疊加態的坍塌。

（什麼鬼？?）不可思議？難於置信？沒關係。連愛因斯坦都不相信，因而才有了“不相信上帝會擲骰子”這句話。

即使連愛因斯坦也不相信，不過科學家已經證明愛因斯坦在這方面的理解是錯誤了哦。因而才有了今天的量子資訊技術的發展。

我不相信“上帝會擲骰子”

好，現在看如果有兩個骰子的情況。

假如有兩個人，每個人各有一個骰子。那麼經典的搖骰子是無法起到通信的作用的。因為兩個人的骰子是相互獨立，兩個骰子分別哪一面朝上是沒辦法產生聯繫的。兩個骰子獨立無關，那麼結果也是獨立無關，也就是相互關係是隨機，沒有聯繫的。

然而，來到量子世界裡面，對於我們的骰子(光子)，我們可以將它們之間的某種物理量的狀態聯繫起來。（也就是所謂的量子糾纏）。處於糾纏態的兩個骰子（光子），便能出現經典骰子不可能呈現的聯繫。比如說：a骰子顯示1，那麼b骰子的狀態就肯定是顯示2。a骰子顯示是2，b骰子的狀態就肯定顯示1等。這種相互關係是一個骰子的狀態確定了，那麼另外一個骰子的狀態也隨之確定。這種關係便是量子糾纏。

鬼魅般的量子糾纏

嗯。是不是有點感覺了？好。

我們用之前講過的描述基於量子糾纏的通信過程。

假設兩個骰子（光子）滿足某種糾纏關係，這種糾纏關係具體表現為：

觀察a骰子顯示為1，則b骰子必顯示2；觀察a骰子顯示為2，則b骰子必顯示4；觀察a骰子顯示為3，則b骰子必顯示6

觀察a骰子顯示為4，則b骰子必顯示1；觀察a骰子顯示為5，則b骰子必顯示3；觀察a骰子顯示為6，則b骰子必顯示5.

這中糾纏關係通信兩方a和b知曉：

假如製備了10對這種骰子（光子），然後每一對的兩個骰子（光子）分別為a和b所擁有（a和b個有10個）。那麼a對10個骰子（光子）揭開骰盅（進行觀察測量），記錄下觀察的結果（沒觀察前每個骰子都有6種可能，一觀察就只能確定都具體某一種狀態【疊加態坍塌】）。

假如a記錄的結果為：

1234564321

那麼a不需要和b有任何的溝通，a都能夠確定b的記錄結果必定為：2461351642

同樣道理，b測量記錄結果，不需要和a有任何溝通，就能知道a的記錄結果必定為：1234564321

這樣的通信過程即為：量子金鑰分發技術

現在大家能搞懂“墨子號”所實現的星地之間千公里級的量子糾纏分發技術是什麼意思了吧？

其實就是在千公里級別上實現這樣的骰子分配，來完成如上的通信過程。

好，希望大家踴躍留言。科學，也可以很簡單。

好，現在看如果有兩個骰子的情況。

假如有兩個人，每個人各有一個骰子。那麼經典的搖骰子是無法起到通信的作用的。因為兩個人的骰子是相互獨立，兩個骰子分別哪一面朝上是沒辦法產生聯繫的。兩個骰子獨立無關，那麼結果也是獨立無關，也就是相互關係是隨機，沒有聯繫的。

然而，來到量子世界裡面，對於我們的骰子(光子)，我們可以將它們之間的某種物理量的狀態聯繫起來。（也就是所謂的量子糾纏）。處於糾纏態的兩個骰子（光子），便能出現經典骰子不可能呈現的聯繫。比如說：a骰子顯示1，那麼b骰子的狀態就肯定是顯示2。a骰子顯示是2，b骰子的狀態就肯定顯示1等。這種相互關係是一個骰子的狀態確定了，那麼另外一個骰子的狀態也隨之確定。這種關係便是量子糾纏。

鬼魅般的量子糾纏

嗯。是不是有點感覺了？好。

我們用之前講過的描述基於量子糾纏的通信過程。

假設兩個骰子（光子）滿足某種糾纏關係，這種糾纏關係具體表現為：

觀察a骰子顯示為1，則b骰子必顯示2；觀察a骰子顯示為2，則b骰子必顯示4；觀察a骰子顯示為3，則b骰子必顯示6

觀察a骰子顯示為4，則b骰子必顯示1；觀察a骰子顯示為5，則b骰子必顯示3；觀察a骰子顯示為6，則b骰子必顯示5.

這中糾纏關係通信兩方a和b知曉：

假如製備了10對這種骰子（光子），然後每一對的兩個骰子（光子）分別為a和b所擁有（a和b個有10個）。那麼a對10個骰子（光子）揭開骰盅（進行觀察測量），記錄下觀察的結果（沒觀察前每個骰子都有6種可能，一觀察就只能確定都具體某一種狀態【疊加態坍塌】）。

假如a記錄的結果為：

1234564321

那麼a不需要和b有任何的溝通，a都能夠確定b的記錄結果必定為：2461351642

同樣道理，b測量記錄結果，不需要和a有任何溝通，就能知道a的記錄結果必定為：1234564321

這樣的通信過程即為：量子金鑰分發技術

現在大家能搞懂“墨子號”所實現的星地之間千公里級的量子糾纏分發技術是什麼意思了吧？

其實就是在千公里級別上實現這樣的骰子分配，來完成如上的通信過程。

好，希望大家踴躍留言。科學，也可以很簡單。