早在1935年，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)和他的同事就假设量子理论预测了粒子之间的远程连接，即量子纠缠。爱因斯坦立刻不喜欢这个想法，称其为“幽灵般的远距离行动”。他希望量子纠缠的存在意味着量子理论有缺陷，或者还没有被完全理解，尽管他一开始并不热衷于量子理论。
量子纠缠是一个奇异的量子理论的分支,说一对粒子的某些属性成为联系在一起以这样一种方式,如果你衡量价值的其中一个,然后你瞬间知道其他的状态,即使他们是宇宙的距离隔开。奇怪,不是吗?对爱因斯坦来说不幸的是，量子纠缠已经被多次证明是正确的，但到目前为止只是在亚原子水平上。
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量子理论描述了宇宙中最小的已知成分的工作原理，预测了电子、原子、分子和光光子的行为。它做得非常好:著名物理学家理查德·费曼指出，量子理论是如此精确，它就像预测纽约和洛杉矶之间的距离到一根头发的宽度。然而，在更人性化的尺度上，量子粒子的行为完全不同于日常物体。
对爱因斯坦来说太奇怪了
量子理论的一个关键原则是粒子可以在任何给定的时间出现在多个地方。奇怪的是，当量子粒子没有与周围的世界相互作用，或者没有被专门测量它们的位置时，它们没有一个特定的位置。相反，所有存在的都是粒子在任何给定时间可能在哪里的概率的集合——所谓的状态叠加。正是这种现象导致了薛定谔的猫既活着又死了。
这就给了我们一个令人困惑的区别:日常的宏观物体和微观世界的微小物体——量子物理学——在这里，概率决定一切。爱因斯坦对这个想法感到非常震惊，以至于他说:“我宁愿当一名鞋匠，甚至是游戏室的雇员，也不愿当一名物理学家。”
当爱因斯坦在20世纪30年代提出他对纠缠的异议时，还不可能通过实验验证它。但到了20世纪70年代，它变得可行了，自那以后，成功的纠缠实验已经进行了很多次。
纠缠甚至有几种实际应用。一个是量子加密。它的灵感来自于美国银行家和密码学家弗兰克·米勒(Frank Miller)的一个想法。大约100年前，米勒正在研究一种被称为“一次性pad”的无法破解的密码。他的想法是给发送方和接收方一个由随机值组成的密钥，但这种方法不是100%安全的，因为这个密钥必须同时发送给发送方和接收方，因此可能会被拦截。
然而，由于量子纠缠自动提供随机值，即使在广泛分离的位置，也可以检查粒子是否仍然纠缠，因此第三方不可能在粒子到达目的地之前读取随机密钥。中国研究人员已经测试了这一原理，将纠缠光子发送到相距1200公里的位置。
传送设备
量子纠缠也使量子隐形传态成为可能。没有纠缠，就不可能复制量子粒子，因为观察它会改变粒子的属性，使其进入特定的状态。但是量子纠缠可以将状态从一个粒子转移到另一个粒子而不改变它。这是一个小规模的《星际迷航》传送器，虽然真正的传送是远程复制，打乱原始，而不是移动它。
实际上，在人身上使用瞬间移动是不切实际的，因为人体内原子太多了。但这个过程可以将量子信息从一个地方传送到另一个地方，这在建造量子计算机时至关重要。在标准计算中，位的值为0或1。在量子计算中，比特被量子位取代，同时结合0和1的概率，使得特殊程序比传统计算机运行得更快成为可能。
即使在实验室之外，量子现象也无时无刻不在发生。任何物质与其他物质或光之间的相互作用都是一个量子过程。所有的电子设备都依赖于量子现象，如果不是因为量子粒子位置的概率性质，使得氢原子核能够足够靠近并聚变产生能量，甚至太阳也无法工作。
生物学中对量子过程的认识也越来越多。例如，植物利用光产生能量的光合作用，似乎是利用量子效应将能量输送到植物的适当部位。
纠缠也可以使鸽子和知更鸟导航。这些鸟能探测到地球磁场，显然是由于它们眼睛里的量子纠缠。进入眼睛的光增加了电子的能量。电子的一种名为“自旋”的特性随后会受到地球磁场的微小变化的影响，人们认为量子纠缠使得鸟类通过连接不同的电子来构建图像成为可能。
扩大
但量子现象能适用于比微小原子或分子更大的物体吗?答案似乎是肯定的。代尔夫特理工大学的Simon Gröblacher博士和他的同事们将两个微小的硅棒纠缠在一起。这些金属条的长度为10 × 1 × 0.25米，比人类的头发还要细。它们内部有微小的口袋，吸收激光的能量，从而导致它们振动。激光被设置成这样一种方式，即棒子的振动状态通过量子纠缠连接起来。
这是极不寻常的。通常在这样大小的物体中，物体内部不同原子之间的相互作用，以及与它接触的任何原子之间的相互作用，会破坏缠结，这一过程被称为“消相干”。所以，如果有可能使一对硅棒纠缠在一起，我们能达到多大?我们能让生物纠缠在一起吗?
量子生物学仍是一个年轻的领域，但受到Gröblacher等实验的启发，一些科学家正在设计实验，利用量子效应在生物体中产生叠加和纠缠。
一组人认为这已经发生了。2016年，谢菲尔德大学的大卫·科尔斯博士和他的同事们通过绿色硫细菌，让光线通过两块镜子之间的狭窄间隙反射。这个实验是为了研究光合作用而设计的，但是当随后分析数据时，由牛津大学量子物理学家Chiara Marletto博士领导的一个小组发现了绿色硫细菌内部分子与光光子纠缠在一起的证据。
他们不能百分之百确定这种效果，因为证明纠缠需要独立测量光子和细菌，而这在他们的特定实验中是不可能的。Marletto承认，处理生物有机体比处理量子粒子要困难得多。
“在量子生物学中，分子非常混乱，很难进行精确的测量，”她说。她说:“我们需要做的是在细菌中分离出单个生物分子(生物有机体中的分子)，并证明它与光纠缠在一起。”
进入现实世界
但如果这种纠缠真的发生了，这可能是细菌用来获取深海中稀缺光线的一种生存机制。如果缠结被证实，它将开启更多的可能性。
“关于量子理论是否适用于所有尺度的争论由来已久。该实验表明，生物体内的生物分子与光纠缠在一起，完全能够显示量子效应。值得注意的是，在整个实验过程中，细菌都是活的，”Marletto说。
为了进一步研究这一现象，Marletto的同事Tristan Farrow博士提出了一项新的研究，在一对细菌中纠缠量子特性。虽然最初仅限于一种特性，但法罗相信这个实验可以做得更深入。
他说:“缠绕活细菌是评估在细菌中实施心灵传输可行性的第一步。”“像生物分子这样的大的、热的、混乱的系统，更不用说生物有机体了，长期以来一直被认为是量子态存活任何有意义的时间长度的不利环境。我们不知道这是否总是正确的，也不知道这些复杂分子中的某些子结构是否可以保护量子态不受恶劣环境的影响。”
这也可能有实际应用。“仿生量子计算是我们研究的一个应用方面，旨在对受生物学启发的人工结构进行逆向工程，”法罗说。“一个最好的例子就是人工叶子，它能以极高的效率收获光能，灵感来自某些光合作用分子可能使用量子叠加来传输从阳光中捕获的能量。”
Gröblacher也对涉及生物的实验感兴趣。他目前的工作是将一层氮化层放入叠加态中。通过使用激光，从理论上讲，可以将直径约1毫米的几乎看不见的氮化硅薄膜转化为具有两种不同振幅的振动叠加。振幅与波携带的能量有关，是从未受干扰的位置到波的峰值的测量值。如果你施加更大的力，峰值和振幅就会增加。Gröblacher认为他们将在几年内实现这种振动叠加。
他说:“这些薄膜的叠加状态将允许我们证明肉眼可见的物体仍然具有量子行为，我们可以真正测试退相干——经典力学和量子力学之间的过渡。”
然后，他希望扩展实验，将称为缓步动物的微小生物放置在氮化硅薄膜上，使它们也处于叠加状态。缓步动物最显著的能力之一就是在脱水的情况下也能存活。在实验期间，缓步动物将处于脱水状态，这样就不会对它们的生物学产生影响。如果成功的话，Gröblacher的缓步动物将是我们看到的最接近同时处于两种状态的生物——Schrödinger的猫。
这是331期的摘录BBC重点杂志。
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作者
布莱恩是科普书籍的作者，有实验物理学的背景。他写的主题从无穷到如何建造时间机器。他还为许多杂志和报纸定期撰写专栏、特写和评论，并在伦敦皇家学会、牛津大学和剑桥大学以及切尔滕纳姆科学节上发表演讲。
