本月，三位科学家获得了诺贝尔物理学奖，因为他们证明了量子世界中最违反直觉却又影响深远的现实之一。他们的研究表明，两个纠缠的量子粒子必须被当作是一个单一的系统，即使粒子之间相隔很远。在实践中，这种“非定域性（nonlocality）”现象意味着，你面前的量子可以立即受到数千公里外的量子的影响。

纠缠和非定域性使计算机科学家能够创造出不可破解的密码。在一种被称为“独立于设备的量子密钥分发”技术中，一对粒子纠缠在一起，然后分配给两个人。粒子的共同属性可以作为一种代码，这几乎无法破解，即使使用量子计算机。

但是为什么（纠缠）只在两个粒子上呢？理论上，对于共享纠缠态的粒子数量没有上限。几十年来，理论物理学家一直在设想3路（three-way）, 4路, 甚至100路的量子连接（quantum connections），这将发展出一个完全分布式的、受量子保护的互联网。

最近，我国的一个实验室似乎已经实现了三个粒子之间的非定域纠缠，这可能会提升量子密码学的强度，以及广义量子网络的可能性。

物理学家以前曾纠缠过两个以上的粒子。但它们之间的距离很短，最多只有几厘米。为了使多方纠缠对密码学有用，科学家们需要证明非定域性。

证明非定域性的关键是测试一个粒子的性质是否与另一个粒子的性质相匹配（这是纠缠的标志），一旦它们之间的距离足够远，其他任何东西都不能引起这种效应。例如，如果一个粒子在物理上接近它的纠缠对象，它可能通过发出辐射来影响纠缠对象。但如果它们相距一公里，那么它们很可能只通过纠缠联系在一起。实验人员使用一组称为贝尔不等式的方程来排除对粒子关联特性的所有其他解释。

对于三个粒子，证明非定域性的过程是类似的，但是有更多的可能性要排除。这增加了测量的复杂性，也增加了数学难度。

在今年8月发表的研究结果中，合肥的一个团队取得了关键的飞跃。首先，通过向一种特殊类型的晶体发射激光，他们将三个光子纠缠在一起，并将它们放置在不同区域，相距数百米。然后他们同时测量了每个光子的随机属性。研究人员分析了测量结果，发现三种粒子之间的关系可以用3路量子非定域性最好地解释。这是迄今为止最全面的3路非定域性论证。

研究人员将他们的实验建立在一个新的、更严格3路非定域性定义的基础上，并且他的三个设备无法互相通信，这种限制在加密场景中是非常有用的。现在，研究人员已经成功地将相距较近的粒子纠缠在一起，下面他们要进一步扩大距离。

这项技术可以为更广泛的量子密钥分发提供支持。如果使用纠缠粒子作为加密的密钥，用来测试非定域性的贝尔不等式可以确保秘密是完全安全的。即使用来发送或接收信息的设备被黑客恶意操纵，黑客也无法确定量子密钥。密钥只有你和另一个纠缠粒子的拥有者知道。

研究人员将三个粒子纠缠在一起，并将它们放置在标有爱丽丝、鲍勃和查理的设备中，相距数百米。

这是一种全新的现象，它可以将独立于设备的密码学，从基本的双向通信扩展到整个秘密共享网络。

除了密码学，多路纠缠也为其他类型的量子网络开辟了可能性。研究人员正在研究量子互联网，它可以像普通互联网连接普通设备一样连接量子计算机。该系统将通过连接数百万个跨越不同距离、具有不同纠缠程度的粒子，将许多量子设备的计算能力聚集在一起。荷兰的科学家们已经成功地在横跨两个独立实验室的网络中纠缠了三个粒子。

这项关于三路纠缠的研究一开始只是“一个有趣的现象”。但是，当有了量子力学可以做到的、其他方法不可能做到的事情时，这将打开各种新的技术可能性。

目前，一些实验室已经证明了粒子之间的四路非定域性。诺贝尔奖得主花了半个世纪的时间，在他们的双向实验中排除了一些漏洞，最终在2017年取得了成功。从那以后，我们在技术上已经取得了长足的进步。