光子糾纏

在量子力學裏，當幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這現象為量子纏結或量子糾纏（quantum entanglement）。量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象；在經典力學裏，找不到類似的現象。

假若對於兩個相互糾纏的粒子分別測量其物理性質，像位置、動量、自旋、偏振等，則會發現量子關聯現象。例如，假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子。沿着某特定方向，對於其中一個粒子測量自旋，假若得到結果為上旋，則另外一個粒子的自旋必定為下旋，假若得到結果為下旋，則另外一個粒子的自旋必定為上旋；更特別地是，假設沿着兩個不同方向分別測量兩個粒子的自旋，則會發現結果違反貝爾不等式；除此以外，還會出現貌似佯謬般的現象：當對其中一個粒子做測量，另外一個粒子似乎知道測量動作的發生與結果，儘管尚未發現任何傳遞信息的機制，儘管兩個粒子相隔甚遠。

阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森於1935年發表的愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬（EPR佯謬）論述到上述現象。埃爾温·薛定諤稍後也發表了幾篇關於量子糾纏的論文，並且給出了“量子糾纏”這術語。愛因斯坦認為這種行為違背了定域實在論，稱之為“鬼魅般的超距作用”，他總結，量子力學的標準表述不具完備性。然而，多年來完成的多個實驗證實量子力學的反直覺預言正確無誤，還檢試出定域實在論不可能正確。甚至當對於兩個粒子分別做測量的時間間隔，比光波傳播於兩個測量位置所需的時間間隔還短暫之時，這現象依然發生，也就是説，量子糾纏的作用速度比光速還快。最近完成的一項實驗顯示，量子糾纏的作用速度至少比光速快10,000倍。這還只是速度下限。根據量子理論，測量的效應具有瞬時性質。可是，這效應不能被用來以超光速傳輸經典信息，否則會違反因果律。

量子糾纏是很熱門的研究領域。像光子、電子一類的微觀粒子，或者像分子、巴克明斯特富勒烯、甚至像小鑽石一類的介觀粒子，都可以觀察到量子糾纏現象。現今，研究焦點已轉至應用性階段，即在通訊、計算機領域的用途，然而，物理學者仍舊不清楚量子糾纏的基礎機制。 ^[1] 

光子（Photon）是一種基本粒子，是電磁輻射的量子。在量子場論裏是負責傳遞電磁力的力載子。這種作用力的效應在微觀層次或宏觀層次都可以很容易地觀察到，因為光子的靜止質量為零，它可以移動至很遠距離，這也意味着它在真空中的傳播速度是光速。如同其它微觀粒子，光子具有波粒二象性，能夠展現出波動性與粒子性。例如，它能在雙縫實驗裏展示出波動性，也能在光電效應實驗裏展示出粒子性。

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年至1917年間發展出光子的現代概念，這是為了解釋一些與光的古典波動模型不相符合的實驗結果。當時被普遍接受的經典電磁理論，儘管能夠論述關於光是電磁波的概念，但是無法正確解釋黑體輻射與光電效應等實驗現象。半古典理論在麥克斯韋方程組的框架下將物質吸收光和發射光所涉及的能量量子化，而行進的光波仍採古典方法處理；如此可對黑體輻射的實驗結果做出合理解釋。愛因斯坦的主張與普朗克的半古典理論明顯不同，他提出光本身就是量子化的概念，當時愛因斯坦稱之為“光量子”（英語：light quantum）。雖然半古典理論對於量子力學的初始發展做出重大貢獻，從於1923年觀測到的電子對於單獨光子的康普頓散射開始，更多的實驗證據使愛因斯坦光量子假説得到充分證實。由於這關鍵發現，愛因斯坦於1921年獲頒諾貝爾物理學獎。

光子的概念帶動了實驗和理論物理學在多個領域的巨大進展，例如激光、玻色-愛因斯坦凝聚、量子場論、量子力學的統計詮釋、量子光學和量子計算等。在物理學外的其他領域裏，這概念也找到很多重要應用，如光化學、高分辨顯微術，以及分子間距測量等。在當代相關研究中，光子是研究量子計算機的基本元素，也在複雜的光通信技術，例如量子密碼學等領域有重要的研究價值。

根據粒子物理的標準模型，光子的存在可以滿足物理定律在時空內每一點具有特定對稱性的理論要求。這種對稱性稱為規範對稱性，它可以決定光子的內秉屬性，例如質量、電荷、自旋等。光子的自旋為1，因此是玻色子，不遵守泡利不相容原理。 ^[2]