2025年是量子力学诞生100周年在过去的一个世纪里，科学家和工程师应用量子力学来创造激光、核磁共振扫描仪、计算机芯片和其他技术。

研究人员现在正在建造量子计算机，并开发利用称为量子信息科学的全新姊妹领域安全传输信息的方法。

但是，尽管创造了这些突破性技术，研究量子力学的物理学家和哲学家仍然无法回答该领域创始人提出的一些重大问题。鉴于量子信息科学的最新进展，像我这样的研究人员正在使用量子信息理论来探索思考这些基本未解答问题的新方法。我们正在探索的方向之一是将阿尔伯特·爱因斯坦的相对论原理与量子位联系起来。

量子信息科学专注于构建基于量子“位”或量子位的量子计算机。量子位在历史上是基于马克斯·普朗克和爱因斯坦的发现。他们于 1900 年和 1905 年发现光以离散的或“量子”能量束的形式存在，促进了量子力学的发展。

量子位可以使量子计算机比传统计算机具有显着优势。 （来源：英特尔）

这些能量量子也以原子、电子等微小物质的形式存在，构成了宇宙中的一切。正是这些微小的物质和能量束的奇怪特性赋予了量子位计算优势。

与传统的基于比特的计算机相比，基于量子比特的计算机可能具有显着的计算优势。经典比特仅对单个查询生成 1 或 0 的二进制响应，而量子比特则利用量子叠加的特性对无限数量的查询生成二进制响应。这一特性使研究人员能够以所谓的纠缠态连接多个量子位。在这里，纠缠量子位以经典位阵列所不具备的方式共同发挥作用。

换句话说，量子计算机可以比普通计算机更快地执行某些计算。例如，据报道，一种设备使用 76 个纠缠量子位来解决采样问题，速度比传统计算机快 100 万亿倍。

然而，驱动这种纠缠态（量子计算的基础）的确切力和自然原理仍然是尚未解决的主要问题。我和研究量子信息论的同事提出的解决方案涉及爱因斯坦的相对论。

相对论原理指出，对于所有观察者来说，物理定律都是相同的，无论他们在宇宙中的哪个位置、他们的方向如何，或者他们相对于彼此如何移动。我的团队展示了如何将相对论原理与量子信息论原理结合使用来解释纠缠粒子。

像我这样的量子信息理论家认为量子力学不是一种力的理论，而是一种信息原理的理论。这与量子物理学的典型方法非常不同，在量子物理学中，力和能量是执行计算的关键概念。相比之下，量子信息理论家不需要知道可能导致纠缠量子粒子的神秘行为的物理力的种类。

这给我们解释量子纠缠带来了优势。因为，正如物理学家约翰·贝尔在 1964 年所证明的那样，试图用力来解释量子纠缠需要爱因斯坦所说的“幽灵般的远距离作用”。

这是因为两个纠缠量子粒子的测量是相关的。即使同时进行测量并且粒子在物理上相距很远，相关性仍然存在。因此，如果有一种力引起纠缠，它的作用速度必须比光速更快。而比光速更快的力违反了爱因斯坦的狭义相对论。

许多研究人员正在尝试寻找不需要远距离幽灵作用的量子纠缠的解释，就像我的团队提出的解决方案一样。

在纠缠中，我们可以共同了解两个粒子（我们称它们为粒子 1 和粒子 2）的一些信息。因此，测量粒子 1 可以立即告诉我们有关粒子 2 的信息。

想象一下吧。假设您向两个朋友（通常被物理学家称为爱丽丝和鲍勃）邮寄了每人一副手套。如果爱丽丝打开盒子并看到左手手套，她会立即知道当鲍勃打开另一个盒子时，他会看到右手手套。每个盒子和手套的组合都会产生右手手套或左手手套。由于测量只有一种可能性，即打开盒子，爱丽丝和鲍勃纠缠了经典的信息位。

然而，量子纠缠的情况涉及纠缠量子位，它们的行为与经典位有很大不同。

让我们考虑一个称为电子自旋的属性。如果您使用垂直定向的磁铁测量电子的自旋，您总是会得到向上或向下的旋转，没有中间的旋转。由于这是二进制测量结果，因此它是 1 位信息。

（来源：蒂莫西·麦克德维特）

两个垂直定向的磁铁可以测量电子的垂直自旋。 通过磁铁后，电子会向上或向下偏转。 类似地，水平放置的两个磁铁可以测量电子的水平自旋。 通过磁铁后，电子会向左或向右偏转。

如果你用一块面向侧面的磁铁水平测量电子的自旋，你总是会得到向左或向右的自旋，并且没有中间的情况。磁铁的垂直和水平方向构成了同一钻头的两种不同测量值。因此，电子的自旋是一个量子位——对多个测量产生二进制响应。

现在让我们考虑这样的情况：首先测量垂直方向的电子自旋以确认其向上，然后测量水平方向的自旋。站直时，不要向左或向右移动。因此，如果您在直立时测量横向运动，则其值将为零。

这正是垂直自旋电子所期望的。由于您是垂直向上旋转（类似于直立），因此不应有水平方向的左右旋转（类似于不横向移动）。

令人惊讶的是，物理学家发现它的一半在水平方向向右，一半在水平左侧。这意味着垂直自旋向上的电子在水平测量时将具有左自旋（-1）和右自旋（+1），因此如果直立时没有横向运动，正如预期的那样，似乎不会使感觉。

但是，当您将所有左（-1）和右（+1）旋转结果相加时，它们实际上加起来为零。当自旋状态为垂直向上自旋时，这与水平方向上的预期一致。因此，平均而言，这与直立而没有任何横向或水平移动相同。

当物理学家说垂直自旋向上的电子处于水平左自旋和右自旋的量子叠加状态时，二元结果（+1 和 -1）的 50-50 比率就是这样的。

根据量子信息论，所有量子力学，包括纠缠态，都是基于具有这种量子叠加态的量子位。

我和我的同事提出，这种量子叠加源于相对论原理。相对论原理（再次陈述）指出，无论观察者在空间中的方向如何，物理定律对于所有观察者都是相同的。

如果具有向上垂直自旋的电子如预期那样直接穿过水平磁铁，则它在水平方向上不会有自旋。这违反了相对性原理。这是因为相对论原理表明，无论水平还是垂直测量，粒子都应该有自旋。

具有向上垂直自旋的电子在水平测量时具有自旋这一事实使量子信息理论家可以说相对论原理（最终）对量子纠缠负责。

由于该原理的解释中没有使用力，因此爱因斯坦嘲笑的“幽灵般的超距作用”并不存在。

既然量子纠缠对量子计算的技术影响已经确定，很高兴知道有关其起源的重大问题之一可以通过备受推崇的物理学原理来回答。