纠缠的“单配性”
下面我想讲讲量子纠缠的“单配性”，这是一个基础性的原理，而且这个原理来自于量子叠加。如果两个系统彼此最大程度地纠缠在一起，那么它们将不能与其他任何东西纠缠在一起。他们甚至不能再跟其他任何东西产生经典关联。
在社交事务方面有一句谚语，如果两个人聊得特别投机，那么第三个人进来会干扰原来的谈话。当你遇到这样的情况时，礼貌的做法是，离开并让他们单独相处。
有句英语谚语“两人成伴，三人不欢”。现在假设爱丽丝和鲍勃已经纠缠在了一起。不过假定鲍勃是那种想要更多纠缠关系的人。这时他找来了另一个朋友，这个朋友爱丽丝不认识。并且鲍勃和这个新朋友也做了之前与爱丽丝做的事情。鲍勃希望他现在可以跟这两个女朋友都纠缠在一起。然而鲍勃发现他与爱丽丝的关系已经退化了，变成仅仅只有经典相关随机了。而他与朱迪的关系也是如此。如果你现在重新来看这件事，如果鲍勃的其中一个女朋友离开了市里，鲍勃将会发现他跟另外一个女朋友的关系退化成仅仅是相关随机了。不过如果他们都一直待在原处，鲍勃将会处在完全的纠缠态中，只是并不是跟任何一个女朋友。他将会跟他们的“非正常关系”纠缠在一起。
无处不在的量子纠缠
现在我们来看看量子随机是从哪里来的。让我们来看看这个实验。斜方向偏振的光子通过这个晶体。其中一些光子变成了水平偏振，另外的光子则变成了垂直偏振。如果我们做下面这个实验，并且我们不真的完成它。我们让这些光子变成这样的两束光，但是并不测量它们。
事实上这些光子并不是以不同的概率进入不同的光束，它们其实是以叠加态的形式同时进入到两个光束的。这个晶体做的事情是将一束对角偏振的光子转化，转化到下面两种态的叠加态，这两种态分别是光子在一束光内是水平偏振，而在另一束光内是垂直偏振。
所以事实上，光子在这里还没有选择光束。可以通过在这里插入半波片，半波片可以将光子的偏振方向翻转，可以将水平偏振光子变成垂直偏振，垂直偏振光子变成水平偏振。垂直偏振的光子会这样通过晶体并偏转行进方向，水平偏振的光子会那样经过晶体。两束光处在纠缠态中。经过第二个晶体后，两束光又重新成为了一束光。
这里可以举一个例子，这就像是教室里会发生的吓人经历，对学生来说，这是一件十分尴尬的事情，当着全班所有人的面说自己的偏振是什么。其他人吓得他忘记了自己的偏振是什么了。
纠缠无处不在，几乎所有的相互作用都会产生纠缠。那为什么一直到二十世纪纠缠才被发现呢？那是因为纠缠的单配性。自然界的大多数系统都跟光子不同。光子可以在空气中行进，可以飞行上百万光年的距离，偏振仍然不被破坏。如果你碰一下这个东西，它就会变成另外一个东西了。它跟你产生了相互作用，你甚至可以听到声音。
自然界的大多数系统，除了光子这样小的东西，都会跟它们周围的环境产生强烈的相互作用， 然后几乎会立刻跟周围环境纠缠起来。这就像鲍勃和他的两个女朋友们之间发生的情况。这个系统的各个部分之间曾经存在的任何纠缠关系都将会退化成相关随机性。这就是为什么一直以来，当我们想到概率的时候，我们却不曾意识到其实是纠缠在起作用。
我们身处的世界可以展现在我们面前是因为所有人都在跟光子发生相互作用。这些从我们身上反射的光子记录下了我们的位置，这就是为什么我能看到你在哪里。然后光子继续行进，并且它们之间没有相互作用。这就像在这最上面有一个未知的量子态，然后有许多的|0>态进来。每一个|0>态都去观测最上面的那个态是|0>态还是|1>态，然后跟它纠缠在一起。不过这些|0>态只能知道的是最上面的那个态是垂直偏振还是水平偏振的。但是它们无法得知是否是对角偏振的。为了获知最上面的态是否是对角偏振的，我们需要将环境中的所有光子收集起来。这就像要让班上所有的其他学生，其他学生都听到该生说过他的偏振方向是什么，然后让所有其他学生都忘记这件事。
这样该生就可以找回自己的偏振方向了。这是由楚雷克和Blume-Kohout提出的一个理论。他们将这个称为“量子达尔文主义”。因为这个现象是指一个物理量的信息增加了，代价却是互补的物理量的信息都减少了。不过我觉得“量子群发”会是一个更好的名字。因为所有的环境复制品都来自同一个起源。
对量子纠缠的误解
人们认为量子力学很难以理解的一个原因是爱因斯坦不喜欢量子力学。爱因斯坦是二十世纪唯一一个家喻户晓的物理学家。爱因斯坦讨厌量子力学的两个方面， 第一个地方是不确定性，意味着在以同样方式制备的系统会有不一样的表现。
量子力学另外一处让爱因斯坦不喜欢的地方是量子纠缠。爱因斯坦给量子纠缠和不确定性都取了很坏的名字。他将不确定性称为“上帝玩骰子”。将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”。并且爱因斯坦认为量子力学违背了物理理论需要满足的一个重要因素，也就是任何一种现象或结果都必然有其原因。
但是除了爱因斯坦以外的物理学家都如此爱量子力学，因为量子力学解释了如此多在实验室里发生的奇妙现象，并且这些现象带给了我们很多发明，比方说激光与半导体。喜欢量子力学的物理学家们却又以不同的方式来解释它，并且这些方式看起来是相互矛盾的。
量子纠缠一直广泛地被几乎所有的新闻记者所误解。他们都将量子纠缠解释成是一种超距作用。当然新闻记者谈论量子纠缠的时间还不长。物理学家已经讨论了量子纠缠很长时间。
1982年，尼克·赫伯特发表了一篇文章。后来又有一个叫杰克·萨尔法季的人，想为这个想象出来的通信手段申请发明专利。已经过世的阿舍·佩雷斯，也就是我们的量子隐形传态文章的合作者之一。
不过当时审稿人肯定说过这样的话：这篇文章应该发表，因为它是错的。当然，后来楚雷克、伍特斯和迪克斯分别指出了为什么这篇文章是错的。楚雷克、伍特斯和迪克斯提出了不可克隆定理，主要讲了量子纠缠的单配性，以及量子信息是不能被复制的。事实上早在1968年，就发现了这一点，并利用了这一点。科学界发生过很多类似的事情，提出新概念的人却并不知道如何使用这些概念，他们甚至不知道这些概念是否重要。一个概念需要再被重新发现三次四次，大家才会对这个概念有所了解，知道能够运用在何处。
就在此刻，上面所说的再发现仍然在继续发生，但却是以一种不好的方式。我想大多数量子信息领域的同僚会经常收到一些人的提案，这些人想将纠缠运用到长距离通讯上，希望能实现超光速通讯。（译者注：信息的传递速度不能超过光速。这里指试图利用纠缠来实现超光速通讯的方案都是错的）这就像永动机一样，是一个永远不会实现的梦。
大家应该觉得量子纠缠很奇妙，而不是毫无意义。科学上有很多十分重要待解决的问题，一旦被解决将会引领新科学。产生矛盾的地方往往会诞生新的科学，其中一个最著名的例子就是迈克尔逊-莫雷实验。这个问题被爱因斯坦的狭义相对论解决了，狭义相对论联系了时间和空间。麦克斯韦方程式并不是不变的，它们遵从洛伦兹变换。目前最大的难题是黑洞信息问题，这也是量子力学和广义相对论交汇的地方，我们仍然不知道如何将这两个理论统一。不过有很多理由让人相信量子信息会帮上忙。
现在，我要将这些真正的科学危机跟下面这些危机做一个对比。我把这些称为 “解释的危机”。
“解释的危机”指的是这样的情况，所有人都赞同实验的结果，但是却在如何描述上意见不一致，可能最好的解决办法就是习惯它。同样的事在不断地发生，几千年前，人们发现2的平方根不是小数，当时的人们认为除了整数以外，剩下的数字都是小数，现在我们有了无理数。这些都是我们刚习惯的关于这个世界的真相。我觉得量子测量问题正在变成“陈旧的老问题”。许多人仍然一直在会议中讨论量子测量问题。
量子信息就是换了一种方式的经典信息，量子信息是经典信息的一般化。量子信息更大、更美、更有力量。经典比特就是量子比特的两个任意选择的正交态中的一个，（译者注：这句话的意思是经典比特只能取一个值，“0”或“1”。）例如垂直偏振和水平偏振的光子。任意两个能够被完全区分的态都可以叫做比特。经典导线可以准确地传导两种状态，但是会将两种状态的叠加态随机化。所以一个经典信道就是一个有窃听者存在的量子信道。任何不能被窃听的信道本质上都是量子信道。经典计算机就是每根导线都被窃听的量子计算机。
如果问量子加速是从哪里产生的？为什么量子计算机解决因式分解要快很多？我会回答他们问错问题了。计算机是量子的，只不过一旦我们知道如何轻易地搭建计算机，并且计算机的每根导线都遭到窃听，这会让一些计算变慢了。打个比方，假如我现在打算做某个计算，然后有人在监视我，这会极大地降低我的计算速度。
事实上，有一些计算可以抵抗窃听。而其他计算则会因窃听极大地降低速度。
量子计算机可以极大地加速一些对经典计算机来说很困难的计算，例如因数分解问题。你甚至不需要一个经典计算机来将这两个质数相乘，从而得到那一个数（即下图左测的长数字，是右侧两个质数的乘积）。如果你有一个安静的周末，你不需要计算机就能做这个乘法计算了。不过将左侧的这个乘积分解成右侧的两个质数，即使用最好的算法也要需要花费经典计或者几个月，甚至几年。所以解决办法就是搭建一个量子计算机，然后利用它的纠缠态。但是必须保护它不被环境窃听。
将量子计算机与环境完全隔离是不可能的，但其实并不需要这样做。如果你可以让每一个器件都运行地接近完美，它们不需要运行地十分完美，然后你就可以运用量子纠错理论。下图是一个最简单的量子纠错代码，它可以纠正单个量子比特的错误。在这个纠错代码中，我们需要另外四个|0>量子比特。最后的结果是在五个量子比特形成的纠缠态中，如果你破坏了任何一个量子比特，破坏可以被消除，转移到这些备用量子比特上。
经许多人努力，量子纠错理论上发展出了容错计算理论，在容错计算理论中，你需要做的是保护它的纠缠态，你处理的方式如此微秒，以至于你甚至可以承受在纠错过程中产生的错误。
如今全世界都在努力建造量子计算机。这是IBM即将上线的量子计算机原型机，任何人都可以使用它来做运算，噪声挺大，但已经是我们现在能达到的最佳性能了。
人们提出过许多种系统来搭建量子计算机。如果是用来通信，你当然会想使用光子。如果是用来存储，你会想用某种原子或分子，这些原子或分子处在十分隔离的环境中，要么是在真空中要么是在固体中。
于是新闻记者又在那里说，太好了，我们有了新的计算方式了。摩尔定律正在走向尽头。事实上摩尔定律九年前就在走向尽头了。还是七年之前？因为人们已经习惯了摩尔定律的放慢了。量子计算会让摩尔定律迎来新的生机吗？因为量子计算可以指数级地提升运算速度，但答案是否定的，因为即使我们建造出能够完全纠错的量子计算机，它也无法加速所有的计算问题，只能加速一部分。
