量子纏結的概念最早由艾伯特·愛因史坦、鮑利斯·波多斯基和納森·羅森在1935年的論文中提出，這篇論文提出了現在被稱為EPR悖論的觀點。他們認為量子力學是不完整的，因為它允許「遠距離的幽靈般的作用」，即一個粒子的狀態測量會瞬間影響另一個遠距離粒子的狀態。這一觀點最初受到質疑，因為它似乎違反了局部現實主義原則。
另一位量子力學的先驅埃爾溫·薛丁格進一步發展了這一概念，並創造了「纏結」一詞來描述粒子之間這種奇特的聯系。盡管最初存在爭議，但隨後的實驗已經證實了纏結的存在，證明了量子力學的預測在嚴格條件下也成立。
從根本上說，量子纏結源於量子疊加和測量的原理。當兩個粒子纏結在一起時，它們的量子狀態由一個單一的、組合的波函式描述。這意味著每個粒子的狀態不能獨立於另一個粒子來描述。相反，必須考慮整個系統。
例如，考慮一對纏結的光子。如果測量到一個光子具有某種偏振，另一個光子的偏振將立即確定，無論它們之間的距離多遠。這種相關性即使在光子相距遙遠的情況下也會持續存在，這一現象在許多研究中得到了實驗驗證。
量子纏結挑戰了我們對現實和因果關系的經典直覺。最著名的意義之一是貝爾不等式的違反，這表明沒有局部隱藏變量理論可以再現量子力學的預測。這意味著任何試圖解釋纏結的理論都必須放棄局部現實主義的概念。
纏結的另一個有趣方面是非局域性的概念。在經典物理學中，資訊不能以超過光速的速度傳播。然而，纏結粒子似乎瞬間相互影響，暗示了一種超越經典限制的通訊形式。這導致了對量子力學的各種解釋，包括多世界解釋和量子資訊本質上不同於經典資訊的觀點。
復雜系統中的纏結
早期的量子纏結研究主要集中在簡單系統如光子或電子對上，最近的研究開始探索更復雜和更大系統中的纏結。這包括生物系統中的纏結，如蛋白質和DNA，這可能對我們理解生物過程的量子層面有深遠影響。研究人員還在研究凝聚態系統中的纏結，如超導體和拓撲絕緣體，這可能導致具有獨特性質的新材料。
一個特別令人興奮的研究領域是重力系統中的纏結。量子力學和廣義相對論之間的交互作用仍然是理論物理學中最大的挑戰之一。一些理論認為，纏結在理解時空和重力的本質中起著關鍵作用。例如，「時空纏結」概念提出，時空的結構本身可能是量子纏結的表現。
量子纏結與量子重力
統一量子力學和廣義相對論的探索導致了各種理論框架，如弦理論和迴圈量子重力。在這些理論中，纏結通常是一個關鍵組成部份。例如，在AdS/CFT對應（兩種物理理論之間的猜測關系）的背景下，纏結熵用於描述時空的幾何結構。這表明，理解纏結可能為宇宙的基本結構提供新的見解。
另一個有趣的觀點是ER=EPR猜想，由物理學家胡安·馬爾達西納和雷納德·薩斯坎德提出。該猜想認為，愛因史坦-羅森橋（蟲洞）等同於纏結粒子對（EPR對）。如果這是真的，這將意味著量子纏結與時空幾何之間存在深刻的聯系，可能為調和量子力學與廣義相對論提供新的途徑。
量子計量學中的纏結
量子纏結在量子計量學領域也有重要套用，量子計量學涉及使用量子系統進行高精度測量。纏結態可以提高測量的靈敏度，超越經典物理學的限制。這在原子鐘、重力波探測器和磁場傳感器等領域具有實際套用。
例如，使用纏結原子的原子鐘可以在時間測量中達到前所未有的精度，這對於衛星定位系統和其他依賴精確時間測量的技術至關重要。同樣，纏結粒子可以提高用於重力波探測的幹涉儀的靈敏度，使科學家能夠更準確地觀察這些時空漣漪。
量子網路中的纏結
量子網路或量子互聯網的發展是纏結的另一個令人興奮的套用。在量子網路中，纏結粒子用於長距離傳輸資訊，既安全又高效。這可能透過提供理論上不可破解的安全性來徹底改變通訊，因為這種安全性基於量子力學的原理。
量子中繼器是這些網路的關鍵組成部份，它們使用纏結來擴充套件量子通訊的範圍。透過在中間節點纏結粒子，量子中繼器可以克服通常限制量子資訊傳輸距離的損耗和去相干。這項技術仍處於早期階段，但在構建實際量子網路方面已經取得了顯著進展。
量子計算中的纏結
量子計算是量子纏結最有前途的套用之一。在量子電腦中，量子位元（量子位）可以同時存在於多個狀態，這得益於疊加原理。當量子位元纏結在一起時，一個量子位元的狀態直接關系到另一個量子位元的狀態，從而允許比經典位元更高效地執行復雜計算。
纏結的量子位元使量子電腦能夠比經典電腦更快地解決某些問題。例如，Shor演算法可以高效地分解大數，這依賴於量子纏結。這對密碼學有重大影響，因為許多加密方案基於分解大數的難度。量子電腦可能會破解這些加密方法，從而推動開發新的抗量子加密技術。
量子密碼學中的纏結
量子密碼學利用量子力學原理建立安全的通訊通道。最著名的套用之一是量子金鑰分發（QKD），它使用纏結粒子生成加密金鑰。QKD的安全性基於這樣一個事實：任何竊聽通訊的嘗試都會擾亂纏結態，從而提醒通訊雙方有入侵者存在。
QKD已經在各種實驗和商業系統中得到實施，提供了比經典密碼學方法更高的安全性。隨著量子技術的不斷進步，我們可以期待量子密碼學在保護敏感資訊方面的更廣泛套用。
量子隱形傳態中的纏結
量子隱形傳態是一種透過纏結粒子和經典通訊將量子粒子的狀態從一個位置傳輸到另一個位置的過程。該過程涉及三個主要步驟：纏結兩個粒子，對其中一個粒子進行測量，並使用測量結果轉換第二個粒子的狀態。
量子隱形傳態已經在光子、原子甚至更大系統中得到實驗驗證。雖然它不涉及物質的傳輸，但對量子通訊和資訊傳輸具有重要意義。量子隱形傳態可以實作高度安全的通訊網路和分布式量子計算系統。
量子纏結的挑戰
量子纏結的研究仍處於早期階段，許多挑戰依然存在。最大的挑戰之一是保持長距離和長時間尺度上的纏結，因為纏結態對去相干和環境雜訊高度敏感。盡管存在這些障礙，量子纏結的潛在好處是巨大的。隨著研究的不斷進步，我們可以期待看到更多利用纏結力量的新套用和技術，改變計算、通訊和傳感等領域。
