量子纠缠：量子信息理论揭示了量子纠缠与热力学、多体理论、量子计算的联系
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量子信息理论的最新进展揭示了纠缠与热力学、多体理论、量子计算及其与宏观性的联系 。
【量子纠缠：量子信息理论揭示了量子纠缠与热力学、多体理论、量子计算的联系】量子物理学始于马克斯·普朗克的“绝望行为” ， 他假设能量是量子化的 ， 以便解释黑体辐射的强度分布 。 大约25年后 ， 沃纳·海森堡、马克斯·伯恩、帕斯夸尔·乔丹、埃尔文·施罗德和保罗·狄拉克写下了量子理论的全部定律 。 随后 ， 一个相关的问题立即出现了 ， 量子物理学的奠基人就对此展开了激烈的辩论：量子理论的哪些特征使其不同于经典力学？是普朗克的量子化 ， 玻尔的互补性 ， 海森堡的不确定性原理 ， 还是叠加原理？
薛定谔答案不在上面 。 从某种意义上说 ， 这些特征中的每一个都可以在经典物理学中呈现或模仿：能量可以是粗粒度的经典能量——如果没有其他的 ， 可以通过蛮力；波可以叠加；在波长知识和波的位置之间的权衡中可以找到互补性和不确定性 。 但薛定谔的量子纠缠效应思想没有任何经典的对应物 ， 纠缠是量子物理学的特征 。
纠缠的原因如此违反直觉 ， 并呈现出与经典物理学的根本不同 ， 可以很好地用现代量子信息理论和薛定谔的一些行话来解释 。 量子系统的状态被薛定谔称为“信息目录”（psi波函数） 。 这些目录包含了我们可以在系统上进行测量的所有可能结果的概率 。 薛定谔认为奇怪的是 ， 当我们有两个纠缠的物理系统时 ， 它们的联合信息目录可以比每个单独系统的目录更好地指定 。 换言之 ， 整体的不确定性比其任何一部分都要小！
按照经典物理地说 ， 这是不可能的 。 想象一下 ， 有人让你预测一枚硬币的投掷量 。 很可能你不会下太多的赌注 ， 因为结果完全不确定 。 但考虑到抛两枚硬币变得不那么不确定了 。 事实上 ， 量子力学可以完全知道两个硬币的状态 ， 而每个硬币的状态在最大程度上仍然是不确定的 。
在量子信息论中 ， 这会导致负的条件熵 。 当谈到量子硬币时 ， 正如我们所知道的结果 ， 两个可预测的抛掷具有零熵 。 然而 ， 如果我们只掷一枚硬币 ， 结果是完全不确定的 ， 因此有一个熵单位 。 如果我们量化第二次投掷的熵 ， 考虑到第一次投掷已经进行了 ， 我们会得出一个负比特 ， 也就是说 ， 两次投掷的熵减去一次投掷的熵：0-1=-1比特 。
正是由于这种特殊性 ， 量子物理学的先驱们才认为纠缠是怪异的和违反直觉的 。 然而 ， 在这一领域经过20年的深入研究之后 ， 我们现在已经习惯了纠缠 ， 而且 ， 随着我们对它的进一步了解 ， 我们发现纠缠出现在意想不到的地方 。
负熵在热力学中具有物理意义 。 科学家已经证明了负熵是指我们可以抹去系统状态的情况 ， 同时从中得到一些有用的工作 。 在经典物理学中 ， 我们需要投入大量的工作来消除信息 ， 这一过程被称为兰道尔擦除 ， 但在量子力学中 ， 我们可以同时采用两种方法 。 这是可能的 ， 因为擦除信息的系统可能与正在擦除其信息的系统纠缠在一起 。 在这种情况下 ， 总状态的熵可能为零 ， 因此可以在不做任何工作的情况下重置 。
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