世界的本质，居然真是在掷骰子..？
上帝真的在掷骰子......
“量子纠缠”一词可以说是近年来在量子物理领域除了量子计算机之外一般大众媒体提及最多的网红术语。
当然，与量子纠缠相关的术语还有很多，也是媒体经常提到的。
例如，量子加密通信、密集编码、量子隐态传输等。
这些术语经常被提及，重要原因之一是这是量子技术各个神秘领域中最前沿、最实用的技术之一。
同时，我国在这项技术上还处于非常领先的地位。
所以媒体也爱提及我们在这方面的科技成果和荣誉，顺便也给大家科普一下这些酷炫的科学术语。
我国量子通信技术动态（来源：新华视点）
那么量子纠缠到底是什么？
是否像一些媒体描述的那样，能够帮助人们实现绝对安全的远距离通信，构建一个不可干扰、不可窃听的保密通信网络，或者能够实现不受距离影响的超光信息传输？
另外，这个现象能和之前的量子现象一样吗？ 我们是否也可以用虚拟世界的视角来帮助我们理解和理解它呢？
别着急，我们先来了解一些基础知识。
我们首先来看看量子纠缠到底意味着什么。
所谓量子纠缠，实际上是指微观世界中发生的一种特殊的多粒子耦合现象。
通俗地讲，就是若干个粒子连接起来，形成一个整体系统。
然而，它们并不是作为一个整体相连，而是作为一个整体系统，这意味着每个粒子仍然单独存在并且可以分离。
但从关系上看，它们之间存在着某种不可分割的整体关联性。
一旦粒子之间存在这种纠缠关系，这些纠缠粒子无论在哪里都可以瞬间相互影响。
而且这种影响并不会随着距离的变化而消失。
它们之间的相互影响似乎没有任何速度限制。
量子纠缠
例如，考虑一对纠缠粒子。 （我们把他们比作一对兄弟）
我们把这对兄弟粒子分开，然后让它们向相反的方向飞行，并且让它们飞得尽可能远，比如相距几百万甚至几千万公里。
然后，这个时候我们观察其中一个“兄弟粒子”的某些性质，比如观察它的自旋方向。
一旦我们观察到这个“兄弟粒子”的自旋方向，另一个“兄弟粒子”就能同时感知到它，并且观察到它的兄弟。
因此，它立刻就表现出了与“兄弟”完全相反的自旋方向，从而保持了彼此的绝对互补性。
如果你看一下这个过程，你就会觉得并没有那么复杂和难懂。
也许这对粒子在分离时自旋方向原本是相反的，只是保持了角动量守恒。
所以无论跑多远，只要看其中一个，自然就知道另一个的方向。
就像两双鞋一样，它们注定是一双。
无论它们分开多远，只要你看到一个是左脚，你就会立即知道另一个是右脚。
这有什么奇怪的吗？
问题自然没那么简单，科学家自然连这种基本关系都没有好奇心。
科学家深入研究这个问题后发现，纠缠粒子之间的关系并不像角动量守恒那么简单。
它们之间还有更深层次的互补特征。
这是值得思考的。
事实上，最早发现这个问题的是著名的爱因斯坦。
爱因斯坦在与玻尔的哥本哈根学派辩论时首次提出了这个问题。
说到爱因斯坦与玻尔的世纪大论战，我们不得不回到之前提到的物理学史上最激动人心的时代：新量子力学诞生的时代。
当时，作为旧量子论支持者的爱因斯坦与以玻尔为代表的新量子论先驱哥本哈根学派之间发生了激烈的争论。
爱因斯坦曾试图用“灯箱思想实验”挑战玻尔的量子理论。
不幸的是它没有成功。
相反，玻尔用爱因斯坦自己的相对论成功反驳了它，击退了爱因斯坦的第一个挑战。
不过，爱因斯坦当然不是一个轻易屈服的人物。
几年后，爱因斯坦卷土重来，再次向哥本哈根发起新的挑战。
爱因斯坦这次使用的武器是一个与量子纠缠相关的新思想实验：EPR悖论。
EPR悖论是什么？
EPR悖论是针对量子纠缠现象中两个粒子之间的相关性而提出的。
那时，量子的“不确定性”和观测造成的“坍缩”特性已经被大家所认识。
当两个粒子纠缠时也会发生这种现象。
然而，当观察到两个纠缠粒子时，它们会同时塌陷。
塌陷后，两个粒子将保持完全相反的互补状态。
这个现象其实大家都已经明白了。
但爱因斯坦提出：
如果两个粒子纠缠在一起并设法将它们分开足够远，即使是光也需要很长时间才能传播，例如一百光年之外。 这时，当我们观察其中一个粒子时，根据量子理论，另一个粒子的状态将立即被确定。 两个粒子在属性上需要保持“完全互补”的关系。
那么如果这种关系的确定过程是瞬间的，那岂不是超过了光速？
所以解释这一现象只有两种可能：
第一种可能性是存在某种机制可以让信息以超光速传播，瞬间协调它们的属性；
第二种可能是这两个粒子事先约定了某种互补状态，然后保持互补关系。
这两种可能的解释实际上意味着解释整个世界的两种方式：
如果我们相信的话，前者是由协调两个遥远粒子的超光速机制引起的。
所以这个世界上，似乎有一些微观层面与宏观层面不一致的神秘机制在起作用。
而如果是后者，那么这只是一个简单的问题，只是我们的理解不够，还有一些隐藏的物理参数没有被发现。
粒子之间的瞬时协同性实际上只是我们现阶段知识匮乏造成的“错觉”。
爱因斯坦这样的伟人怎么会同意上述逻辑呢？
当然他认为应该是后者。 两个粒子之间一定存在某种“隐变量”来限制它们的行为。 没有什么神秘的机制。
更重要的是，那时还没有电子游戏。 这样的虚拟体验可以启发思考吧？
于是爱因斯坦就提出了这个EPR悖论问题，并认真地告诉了玻尔。
除非你证明两个纠缠粒子之间的关系是前者，而不是后者。
否则，你的整个量子力学体系就是错误的。
这个世界不是你想象的，它仍然是经典的、本土化的、真实的！
好吧，现在球在哥本哈根学校的球场上。 玻尔和其他人现在将如何应对爱因斯坦的挑战？
面对挑战，玻尔自然不会轻易屈服。
作为新时代量子理论的奠基人之一，他怎么可能屈服于爱因斯坦的旧理论呢？
甚至在玩电子游戏之前，玻尔就感觉到这个世界背后一定有某种突破本土化和现实的深层机制。
他果断地做出了反应，并准备了实验来证明爱因斯坦是错的。
玻尔如何证明爱因斯坦是错的？
玻尔首先想证明两个粒子之间的协调速度比光速快得多。
这更容易做到。
我们设计的实验可以将两个粒子引导到足够远的距离。
然后比较他们在一段时间内的状态，这段时间比他们可以用光速相互通信的时间长。
（例如，实际上，可以使用长光纤来单独分离和引导纠缠的光子对）。
其次，玻尔还想证明两个粒子之间的配位是瞬时同步产生的，而不是事先约定好的。
我们想证明两个粒子之间不存在先验的神秘一致性，那么我们如何证明这一点呢？
俗话说，睡着了撞到枕头纯属巧合。
恰好这里有一位爱因斯坦的“铁杆粉丝”听说了这件事。
他就是北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔。
贝尔了解了双方的论点后，当然相信爱因斯坦是对的。
这个世界怎么可能发生违背直觉和常识的事情呢？
所以为了帮助爱因斯坦，贝尔考虑了双方的观点。
1964年，他突然想到了一种可以清楚表达这两种观点的数学方法。
贝尔用一个不等式来表达两者之间协调性的数学差异。
贝尔不等式
贝尔认为，只要这种不等式成立，那么爱因斯坦就是对的。
两个粒子之间必须有一个预先商定的计划。
如果不是，那么玻尔是对的。
两个粒子之间没有预先商定的计划。
当然，他认为这种不平等显然应该成立。
不然的话，他为什么不把符号颠倒一下，用“建立”来对应玻尔的理论呢？
然而，无论如何，科学家们一致认为，这个不等式是对爱因斯坦和玻尔之间，或者说世界是经典的还是量子的争论最清晰的数学总结。
而且，这个不等式相对容易验证。
但作为普通读者，我们如何才能理解这个公式到底说了什么？
我们是否也可以用虚拟游戏的视角来理解贝尔不等式的含义呢？
当然。
现在我们将尝试从游戏的角度解释物理学中最重要的公式之一。
在虚拟世界的量子游戏中，我们使用系统生成了一对宝箱。 系统生成的每一对宝箱里量子武器，都藏着一只美丽的蝴蝶精灵。
双宝箱
我们知道，宝箱里的蝴蝶精灵的颜色只有白色和黑色。
每对宝箱中蝴蝶的颜色必须相反。 他们是一对“双胞胎”精灵。
毫无疑问，如果有一对宝盒，那么每当我们打开其中一个宝盒并看到里面蝴蝶的颜色时，我们就可以立即知道另一个宝盒中蝴蝶的颜色。
但这款游戏的设计者告诉我们，程序实现这对宝箱的方式其实存在一些差异。
具体来说，配对宝箱的实现方式其实有两种：
一种是提前生成一对双胞胎蝴蝶，然后将它们分别放入不同的宝箱中。
这种先放入蝴蝶，再放入宝盒的方法，称为“传统宝盒”；
至于另一个，当你打开任意一个配对宝箱时，生成蝴蝶的代码就会立即执行。
两个盒子里立刻生成了一对颜色相反的双生蝴蝶。
我们把这种宝盒命名为“量子宝盒”。
所以游戏设计者想挑战我们，让我们试试看能否通过观察分辨出哪对宝箱是传统宝箱，哪对宝箱是量子宝箱。
这一挑战似乎是不可能的。
因为单纯从开箱后的观察结果来看，似乎这两种形态的宝箱是一模一样的。
两者都是颜色相反的双生蝴蝶，我们似乎无法分辨它们之间的区别。
两个宝箱打开了
不过我们玩家还是很有耐心的。 仔细把玩了两个不同的宝箱，打开了无数次，我们还是发现了一些不同之处。
我们发现每个宝箱内蝴蝶的颜色其实是由三部分组成的。
它们是“触手”、“翅膀”和“身体”。
每个部分可以是“黑”和“白”两种颜色之一。
然而，每次你打开盒子时，蝴蝶上的颜色都是随机生成的。
当我们打开宝箱A时，如果我们看到的蝴蝶精灵是“黑色触手”+“白色翅膀”+“黑色身体”。
那么当我们打开另一个宝箱B时，我们看到的蝴蝶精灵一定是“白色触角”+“黑色翅膀”+“白色身体”。
完全相反。
如果宝箱A看到“白色触手”+“黑色翅膀”+“黑色身体”。
那么宝箱B中的蝴蝶一定是“黑色触角”+“白色翅膀”+“白色身体”。
完全没有错。
那么，两个宝箱中蝴蝶各部分的颜色非常对应，如何区分呢？
我们仔细思考了传统宝箱和量子宝箱之间的逻辑。
突然我们意识到，它们之间的区别就在于是否事先约定好了。
传统宝箱中的蝴蝶精灵是提前生成的。
那么两只蝴蝶之间一定已经商定了一套相应的计划，这样它们才能完全互补。
那么蝴蝶需要就多少个计划达成一致呢？
因为蝴蝶身上有三个可以变色的部位，通过排列组合可知，总共需要八套方案。
传统宝箱八方案
也就是说，如果生成传统的宝箱，那么两个蝴蝶精灵首先要决定使用八套方案中的一套来生成各个部分的颜色。
一旦设定，就无法更改。
量子宝箱则不同。
量子宝盒中蝴蝶的配色方案并不是先确定的，然后在打开盒子时随机同步生成。
也就是说，量子宝盒中的蝴蝶处于叠加状态，任何情况都可能存在。
宝箱在打开之前，是没有特定颜色的。
它的具体颜色只有在观察后才会给出。
那么即便如此，两者又有什么区别呢？
让我们采取不同的方法。
