量子纠缠是一种令人费解的科学现象。
在量子力学中，如果两个粒子以某种方式相互关联，以至于彼此并非独立，就称它们处于纠缠状态。
下面将进一步探讨这一过程，以及科学家如何努力加深对它的理解。
提高纠缠态制备和操控过程的效率，有助于提升其他量子技术的效率。
“量子纠缠”是现代科幻电影中常见的几种情节设定之一。漫威超级英雄电影的影迷，例如，会熟悉不同时间线合并、交错，或人物的命运通过看似魔法的方式交织在一起的情节。
但“量子纠缠”并非只是科幻作品中的热门词汇。它是一种真实存在、令人费解且有用的现象。“纠缠”是物理学中一系列更广泛的概念之一，属于量子力学范畴。量子力学是一种描述自然界在原子乃至亚原子尺度上行为的理论。
理解并利用纠缠，是开发许多尖端技术的关键。这些技术包括量子计算机，它能以远快于普通计算机的速度解决某些问题；还包括量子通信设备，可让我们彼此通信而完全不必担心有人窃听。
但究竟是什么量子纠缠？在量子力学中，如果两个粒子被认为是纠缠的，就意味着若不纳入另一个粒子的全部信息，便无法对其中一个粒子作出完整描述：两个粒子以某种方式“相连”，彼此并非独立。乍看之下，这种想法似乎不难理解，但它其实是个难以把握的概念，物理学家仍在不断加深对它的认识。
量子骰子
假设我给你和你的朋友坦迪各一个小巧、不透明的黑盒子。每个盒子里都有一枚普通的六面骰子。我让你们轻轻摇晃盒子，把骰子摇乱。然后你们分头回家。坦迪回到南非的一座城市开普敦；你则回到另一座城市德班。在这个过程中，你们没有相互联系。到家后，你们各自打开盒子，查看骰子朝上的点数。
通常，你和坦迪看到的点数之间不会有任何关联。她看到1到6之间任何一个数字的可能性都相同，你也是如此；重要的是，她的骰子显示什么点数，对你的骰子显示什么点数毫无影响。
这并不奇怪——事实上，这就是世界通常的运行方式。不过，如果我们能让这个例子变得“量子化”，情况就可能大不相同。假设我现在让你和坦迪先轻轻碰一下两个盒子，再分别摇晃盒子，然后各自离开。
用量子力学作类比，轻碰盒子的动作会像施了魔法一样，让骰子以神秘的方式相连——也就是发生纠缠：你们各自到家、打开盒子并查看点数后，你和坦迪看到的点数必定完全相关。如果你在德班看到“4”，就能确定坦迪在开普敦也会测得她的骰子显示“4”；如果你碰巧看到“6”，她也会看到“6”。
在这个类比中，骰子代表单个粒子（例如原子，或称为光子的光粒子）；而让两个盒子实际碰在一起的魔法动作会使这些粒子发生纠缠，因此测量一枚骰子就能让我们获知另一枚骰子的信息。
实现更好的纠缠
据我们所知，并不存在某种神奇的“碰盒子”动作，能让一对骰子或其他物体在人的宏观尺度上发生纠缠（如果有这种方法，我们在日常生活中就能体验到量子力学，它大概也不会显得如此陌生、令人费解）。目前，科学家只能使用微观尺度的事物，因为在那里更容易观察到量子效应，例如称为离子的带电原子，或称为transmon。
南非金山大学的结构光实验室开展的正是这类研究。不过，实验室的研究人员不用离子或 transmon，而是使用称为光子的光粒子，以更好地理解量子力学及其影响。我们希望利用光的量子特性实现多种用途：从设计高效的通信系统，使恶意第三方完全无法侵入，到开发不会损伤敏感生物样本的成像方法。
这类研究往往需要从特别制备的纠缠光子态开始。但这不像把两枚骰子分别装进盒子再让盒子碰在一起那么简单。在真实实验室中，制备纠缠光子的过程会受到许多实验变量的限制。这些变量包括实验所用激光束的形状，以及生成纠缠光子的小晶体尺寸。这些因素可能导致输出效果不佳，或产生不理想的状态，研究人员因此必须在实验结束后有选择地舍弃一些测量结果。这并非理想情况：光子被丢弃，能量也因此浪费。
包括我在内的一组实验室研究人员最近在解决这一问题上迈出了一步。在一篇期刊论文中，我们通过数学计算得出，为了尽可能制备出实验人员希望用于实验起始阶段的纠缠态，激光的最佳形状应当如何。该方法提出，在实验开始时改变输入激光束的形状，以便在实验后续阶段最大限度地提高纠缠光子的生成效率。这意味着能有更多光子供你按预期开展实验，也会减少逸散光子。
世界经济论坛正在采取哪些行动，推动新兴技术治理？
采用所提出的这类技术提高纠缠态制备和操控过程的效率，对于提升其他多种量子技术的效率也很重要，例如量子密码系统和前文提到的其他技术。随着第四次工业革命在全球推进，以及以量子力学为核心的技术必将日益普及，这一点尤为重要。
