为什么一个微观粒子可以同时出现在不同的地方，可以同时拥有不同的状态？而且这些不同的状态之间又会相互影响，至于人们实际观测到的结果，则只能通过概率来决定？薛定谔放进盒子里的那只猫，到底是生是死？观测的本质是什么？人类意识的本质又是什么？这些都是量子力学所引发的问题。物理学研究的目的，难道不是预测未来吗？而现在物理学家们所看到的，则只是上帝手里把玩的骰子。
量子力学中最令人困惑的现象是什么？如果要物理学家投票，可能最多的人会选择量子纠缠现象，正是这种现象的存在，才使量子力学拥有如此多神奇的特性。两个微观粒子在经过耦合后，它们的状态便从此结合在一起，成为一个整体，即使这两个粒子随后相隔半个宇宙，它们之间仍然联系密切，其中一个粒子状态的变化会立即影响到另一个粒子的状态。正是量子纠缠的这个特点，使量子力学彻底背离了经典力学，这种现象也让爱因斯坦无法理解。在1935年，他与另外两个作者共同发表了可能是物理学历史上最著名的一篇论文。他们论述，通过量子纠缠现象（当时还没有出现这个名词），可以证明量子力学通过波函数来描述物理实在性是不完备的。
但是实验结果并没有站在爱因斯坦这一边。在1964年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）发表论文《论爱因斯坦、罗森、波多尔斯基悖论》（On the Einstein Podolsky Rosen paradox），提出了著名的“贝尔不等式”（Bell‘s inequality）可以用来验证爱因斯坦的论证是否成立。从1972年开始，不断有物理学家做出实验，用一个又一个清晰的实验结果突破了贝尔不等式，证明爱因斯坦对于量子力学的判断并不正确。两个处于纠缠状态的微观粒子，它们的状态相互关联，并没有其他制约的变量，并且当其中一个粒子的状态发生改变时（例如被人类观测到），另外一个粒子的状态也随之改变，无论它们之间相隔几千光年。
量子纠缠的神奇特性以及本质，仍然需要探索，但是物理学家们已经开始思考如何利用这种特性改变人类生活。目前热门的量子计算机、量子加密等研究领域，实际上都是基于量子纠缠的特性所进行的应用研究。这些研究虽然都还没有成功，但是都给人们展示了一个神奇的未来。2014年8月28日，奥地利维也纳大学的量子物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）和其他五位作者在《自然》杂志共同发表论文《利用未被探测的光子实现量子成像》（Quantum imaging with undetected photons），展示了利用量子纠缠原理实现的一个神奇技术。他在论文中展示了一只猫的照片，但是构成这张照片的光子，实际上从来没有与这只猫的形象接触过。
此前人们所理解的观看，或是拍照，都需要物体自身发出或是所反射的光子到达观察者的眼睛里，观察者才能感知到这个物体的图像。量子成像研究的领导者蔡林格说：“现在，历史上第一次，你不必这么做了。”利用量子纠缠的特性，通过一对处于纠缠状态，向不同方向行进的光子，蔡林格使其中的一个光子穿过一只猫的形象，然后任由其消失，转而收集与之处于纠缠状态的另外一个光子，利用这个光子来重现出一只猫的形象，这正是新奇的量子成像技术的本质。
在实验中，蔡林格利用一束激光分裂为处于纠缠状态的两束光线，它们之间的状态彼此紧密相连，并且可以相互影响。如同一对双胞胎。蔡林格令处于纠缠状态中的一个光子穿过目标，但是转而去收集双胞胎中的另一个，从而形成了目标中一只猫的形象。蔡林格的这项实验起源于1991年开始的一项研究，物理学家令一束光子在运行过程中有两条可能通过的路径可以选择，根据量子力学的描述，如果试验者不去观测光子，那么光子则“同时”经过这两条路径，在这两条路径中都放置了可以使光子分裂为一对处于纠缠状态的光子的晶体，而只在其中的一个路径中放置了需要被照相的物体。这样，在放置了需要被照相的物体的那条路径中，只有其中一个光子经过了那个物体，这个光子随后与在另一条路径中处于叠加态的“同一个”光子合并，随后则被丢弃，从这两条路径通过的另一对光子则又合并为一个光子，这个光子被照相机接收，形成了那个物体的照片，而成像的光子实际上从未经过那个物体。
蔡林格的实验在这个基础上更近了一步，他在实验中使用了能量不相同的处于纠缠状态的光子。这样，他利用其中一个在人类可视范围之外的光子去经过需要被照相的物体，然后收集另一个频率在人类可视范围内的光子形成一个只有几毫米宽的一只猫的形象，这就证明了这项技术确实可行。
蔡林格在论文中提到，因为量子成像技术相比之前类似的技术更加简单，而且允许利用不同频率的光子进行成像，这也就使探测不在可见光范围之内的形象成为可能。因此，这个技术有可能应用到工业领域检查集成电路，也可能被应用到生物成像领域。
物理学家对于量子纠缠的研究和应用才刚刚开始。两个无论相隔多远的粒子，却如同心有灵犀一般，随时保持同步，又随时互相影响，这令精于此道的物理学家也会感到不可思议，陷入到深深的迷惑中。人类认识到了这个奇特的现象，并且对此加以利用，但是这也让量子力学彻底脱离了经典力学理论，也远远超出了人类的理解能力，这必将激发更多物理学家投入到对于量子力学本质的研究中去。
文／苗千
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