两个垂直取向的磁铁可以测量电子的垂直自旋。在穿过磁铁后，电子向上或向下偏转。同样，两个水平方向的磁铁可以测量电子的水平自旋。在穿过磁铁后，电子向左或向右偏转。图片来源：Timothy McDevitt

2025年是量子力学诞生100周年。自该领域成立以来的一个世纪里，科学家和工程师利用量子力学创造了激光、MRI扫描仪和计算机芯片等技术。

如今，研究人员正在寻求使用称为量子信息科学的全新姊妹领域来构建量子计算机以及安全传输信息的方法。

但是，尽管创造了所有这些突破性技术，但研究量子力学的物理学家和哲学家仍然没有为该领域的创始人提出的一些重大问题找到答案。鉴于量子信息科学的最新发展，像我这样的研究人员正在使用量子信息理论来探索思考这些尚未解决的基础问题的新方法。我们正在研究的一个方向是将阿尔伯特·爱因斯坦的相对论原理与量子比特联系起来。

量子信息科学的重点是基于信息的量子“比特”或量子比特构建量子计算机。量子比特在历史上是基于物理学家马克斯·普朗克和爱因斯坦的发现。他们分别在1900年和1905年推动了量子力学的发展，当时他们发现光存在于离散的或“量子”的能量束中。

这些能量量子也以小的物质形式出现，例如原子和电子，它们构成了宇宙中的一切。正是这些微小的物质和能量包的奇怪特性导致了量子比特的计算优势。

基于量子比特而不是经典比特的计算机可能具有显着的计算优势。这是因为经典位仅对一个查询生成二进制响应（1 或 0）。

相比之下，量子比特利用量子叠加的特性对无限多的查询产生二进制响应。这一特性使研究人员能够在所谓的量子纠缠态中连接多个量子比特。在这里，纠缠的量子比特以一种经典比特数组无法做到的方式共同作用。

这意味着量子计算机可以比普通计算机更快地进行一些计算。例如，据报道，一种设备使用 76 个纠缠量子比特来解决采样问题，比经典计算机快 100 万亿倍。

但是，究竟是造成量子计算基础的量子纠缠态的自然力或原理，是一个悬而未决的大问题。我和我的量子信息论同事提出的一个解决方案与爱因斯坦的相对论原理有关。

相对论原理说，物理定律对于所有观察者来说都是相同的，无论他们在空间中的位置、方向如何或它们如何相对运动。我的团队展示了如何将相对论原理与量子信息理论原理结合使用来解释量子纠缠粒子。

像我这样的量子信息理论家认为量子力学是一种信息原理理论，而不是力理论。这与量子物理学的典型方法非常不同，在量子物理学中，力和能量是进行计算的重要概念。相比之下，量子信息理论家不需要知道什么样的物理力可能导致纠缠量子粒子的神秘行为。

这为我们解释量子纠缠提供了优势，因为正如物理学家约翰·贝尔（John Bell）在1964年所证明的那样，任何用力来解释量子纠缠都需要爱因斯坦所说的“远处的幽灵行为”。

这是因为两个纠缠量子粒子的测量结果是相关的，即使这些测量是同时进行的，并且粒子在物理上相距很远。因此，如果一种力引起量子纠缠，它的作用就必须比光速更快。超光速的力量违反了爱因斯坦的狭义相对论。

量子纠缠对于量子计算很重要。

许多研究人员正试图找到一种量子纠缠的解释，这种解释不需要在远处进行恐怖行动，就像我的团队提出的解决方案一样。

在纠缠中，你可以同时了解两个粒子的一些信息——称它们为粒子1和粒子2——这样当你测量粒子1时，你立即知道了粒子2的一些信息。

想象一下，你正在给两个朋友寄邮件，物理学家通常称他们为爱丽丝和鲍勃，每个人都戴着同一副手套。当爱丽丝打开她的盒子并看到一个左手手套时，她会立即知道，当鲍勃打开另一个盒子时，他会看到右手手套。每个盒子和手套的组合都会产生两种结果之一，即右手手套或左手手套。只有一种可能的测量方法——打开盒子——所以爱丽丝和鲍勃纠缠住了经典的信息片段。

但在量子纠缠中，这种情况涉及纠缠量子比特，其行为与经典比特非常不同。

考虑电子的一个特性，称为自旋。当你使用垂直定向的磁铁测量电子的自旋时，你总是会得到一个上升或下降的旋转，两者之间没有任何变化。这是一个二进制测量结果，所以这是一些信息。

如果你把磁铁的侧面转动，水平测量电子的自旋，你总是会得到一个左旋或右旋，两者之间没有任何东西。磁铁的垂直和水平方向构成了同一位的两种不同测量值。因此，电子自旋是一个量子比特——它对多个测量产生二进制响应。

现在假设你首先垂直测量一个电子的自旋，发现它是向上的，然后你水平测量它的自旋。当你笔直地站起来时，你根本不会向右或向左移动。所以，如果我测量你笔直站立时左右移动的程度，我会得到零。

这正是你对垂直自旋电子的期望。由于它们具有垂直方向的旋转，类似于直立，因此它们不应在水平方向上向左或向右旋转，类似于左右移动。

令人惊讶的是，物理学家发现其中一半在水平右边，一半在水平左边。现在，当水平测量时，垂直自旋电子具有左自旋（-1）和右自旋（+1）结果似乎没有意义，就像我们期望在直立时没有左右运动一样。

但是，当你把所有左 （-1） 和右 （+1） 的自旋结果相加时，你确实得到零，正如我们在水平方向上预期的那样，当我们的自旋状态是垂直自旋时。所以，平均来说，当我们站直时，就像没有左右或水平运动一样。

这种在二元（+1和-1）结果上的50-50比率是物理学家所谈论的，当他们说垂直自旋电子处于水平自旋左右的量子叠加中时。

根据量子信息理论，所有的量子力学，包括其量子纠缠态，都是基于量子比特及其量子叠加态。

我和我的同事们提出的是，这种量子叠加是由相对论原理产生的，该原理（再次）指出，对于空间中具有不同方向的所有观察者，物理定律都是相同的。

如果像你所期望的那样，在向上方向垂直旋转的电子直接穿过水平磁铁，那么它就不会有水平旋转。这将违反相对论原理，该原理认为无论粒子是在水平方向还是垂直方向上测量，它都应该有自旋。

因为一个在向上方向上有垂直自旋的电子在水平测量时确实有自旋，所以量子信息理论家可以说相对论原理（最终）是量子纠缠的原因。

而且由于这个原理解释中没有使用武力，所以也没有爱因斯坦嘲笑的“远处的幽灵动作”。

随着量子纠缠对量子计算的技术影响得到证实，很高兴知道关于其起源的一个大问题可以用一个备受推崇的物理学原理来回答。