量子纠缠，这个神秘的现象，似乎违反了我们对物理世界的直觉，然而，一旦我们深入探索，其背后的原理其实相当简单。

多伦多的艾玛尔·瓦塔教授提供了一种形象的解释：

纠缠就像是粒子之间一种“量子纠正”。

在新闻报道中，量子计算机、量子通讯和与量子相关的技术不断涌现。纠缠，这一量子物理学的基本特性，是这些先进技术得以实现的关键。

爱因斯坦曾将纠缠称作“鬼魅似的远距作用”，这个术语也因此变得家喻户晓。除了构建量子计算机，探索和利用纠缠的其他方式也极有价值。

例如，它能够帮助我们更精确地检测引力波，增进我们对特殊材料属性的理解。在许多其他领域，纠缠也能够更准确地揭示真相：我一直在研究粒子如何通过碰撞形成纠缠，以及这种纠缠如何影响原子钟的精确性。

但究竟什么是纠缠呢？我们如何理解这种“鬼魅”现象？我将尝试结合物理学中的两个核心概念来阐明它：守恒定律和量子叠加。

守恒定律

守恒定律是物理学中最根本、最重要的原则。例如，能量守恒定律指出，一个封闭系统（例如孤立系统）的总能量保持恒定（能量可转换成电能、机械能、热能等）。这一定律是所有机器工作的基础，无论是蒸汽机还是电动车。守恒定律类似一种平衡账本：你可以稍稍改变周边的小量能量，但总量必须保持不变。

动量守恒（动量是质量与速度的乘积）可以用来解释为何两个体重不同的滑冰运动员在互相推开后，体重较轻的一个会滑得更远更快。该定律还验证了那句名言：每一个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力。（再次以滑冰运动员为例）角动量守恒则解释了为何滑冰运动员通过拉近手臂可以更快地旋转。

2019年在白俄罗斯举行的欧洲花样滑冰锦标赛上，法国的加布里埃拉·帕帕达吉斯和吉约姆·西泽龙就展现了守恒定律的威力（见附图）。

实验已经证明，在宇宙的广阔领域内，从遥远星系中的黑洞到微小的旋转电子，守恒定律都普遍适用。

量子世界的补充说明

想象你在森林中漫步，面前出现两条路，一条昏暗但通向美景，另一条明亮但布满障碍。你最终选择了明亮之路，但仍旧对昏暗之路抱有期待。在量子世界中，你既可以走明亮之路也可以走昏暗之路。

对于孤立的量子系统，其内部规则颇具趣味。比如一个原子可以是顺时针旋转，也可以是逆时针旋转。尽管与陀螺不同，它却能够同时处于[顺时针旋转]和[逆时针旋转]的状态。

量子系统可以相加或相减。从数学角度来看，叠加的量子态可以表述为向量的加减。在这样的叠加状态下，世界呈现出来的是各种可能性的重合。双缝实验和波粒二象性等奇异的量子效应可能已被你所熟知。

你决定迫使一个处于[顺时针旋转]+[逆时针旋转]叠加态的电子给出一个明确的答案。电子的自由旋转状态会停止在[顺时针旋转]或[逆时针旋转]中的一个。这两种结果出现的概率很容易通过手中的物理教科书计算出来。如果你认为宇宙应当严格按照预定的方式运行，这个过程中的内在随机性可能会让你不安。然而，这就是现实（实验测试）的面貌。

守恒定律与量子力学

现在，让我们把这两者结合起来，并将能量守恒定律应用到一对量子粒子上。

想象有一对量子粒子（原子），总能量为100个单位。你和你的朋友各持有一个粒子，你发现自己持有的粒子拥有40个单位的能量。根据能量守恒定律，你可以推断出你朋友持有的粒子一定有60个单位的能量。一旦你测量了自己的原子能量，你也就立刻知道你朋友的原子能量。即使你的朋友没有透露任何信息，即使他身处银河的另一端，你也能够知晓。这并不可怕（一旦你意识到这仅是相关性而非因果性）。

但这对原子的量子状态可能更加有趣。它们的能量可以有许多种分配方式（当然，依然遵循能量守恒定律）。这一对原子的组合状态是叠加的，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]。

这就是两个原子的纠缠状态。无论是你的原子还是你朋友的原子，在叠加态中能量都不是明确的。然而，由于能量守恒定律，两个原子的性质却是紧密关联的：它们的能量总和总是100个单位。

例如，如果你测量自己的原子发现它有70个单位的能量，那么你就可以确定你朋友的原子有30个单位的能量。即使他没有告诉你任何信息，你也了如指掌。多亏了能量守恒定律，即使你的朋友在银河的另一端你也能知道他手中原子的能量。