在實體學領域，量子理論是由一群著名實體學家在20世紀的頭30年裡建立的。量子理論描述了分子、原子和亞原子尺度上的一系列現象。
今天，量子理論的一些應用已經滲透到我們生活的方方面面，但我們對它的了解并不完整。許多量子現象似乎與常識或日常經驗背道而馳，這不僅常常讓大衆覺得難以了解，也讓實體學家和科學哲學家感到驚訝。
量子理論的一些反直覺現象與它的機率性質有關。通常，實體學家是不能對單個測量的實際結果進行預測的，隻能判斷實體系統的可能測量結果的機率。
非定域性
在量子實體學中，一個極具挑戰的概念是非定域性（nonlocality）。非定域性是愛因斯坦（Albert Einstein）對量子實體學的機率性提出異議的一種回答。在1935年發表的一篇影響深遠的論文中，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）對量子理論的完備性提出了質疑。在這篇論文中，為了證明量子力學和定域性（locality）之間的沖突，他們提出了一個如今被稱為EPR佯謬的思想實驗。
這個思想實驗産生了量子糾纏的概念，表明若想要合理化糾纏産生的某些非經典的相關性，遙遠的量子系統必須能即刻交換資訊，比如當測量糾纏系統中的一個粒子時，即便另一個粒子遠在宇宙的另一端，測量結果似乎也會穿過空間，立即對其産生影響。然而根據狹義相對論，這是不可能的。
對此，他們的結論是，這個佯謬是由量子理論的不完備導緻的，并認為這種不完備性可以通過定域隐變量來糾正，使量子實體學與經典實體學一樣具有确定性。而這種被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”的糾纏現象，一直是量子理論測試的主要焦點，也已成為量子資訊領域的基礎。
1964年，英國實體學家貝爾（John Stewart Bell）重新審視了EPR的觀點，提出了一種數學形式描述，證明了量子系統可以是非定域的。通過比較兩個糾纏粒子的測量結果，他用貝爾定理表明，粒子之間的強相關性不可能用定義每個粒子各自屬性的定域隐變量來解釋，糾纏對中包含的資訊必須在粒子間非定域共享。這種無法被任何定域理論再現的強相關性的屬性，現在被稱為貝爾非局域性。
2022年，阿斯佩（Alain Aspect）、克勞澤（John Clauser）和塞林格（Anton Zeilinger）就因在實驗中觀察到貝爾非定域性以及其他相關成就，而獲得諾貝爾實體學獎。
互文性
另一個具有挑戰性的想法則似乎指向了相反的方向，那就是互文性（contextuality）。互文性說的是，量子物體的測量結果取決于“與境”（context）。而與境指的是圍繞一個事件的所有細節，它能為我們提供更多關于發生了什麼以及如何發生的資訊。
舉例來說，當你去車庫時，會看到停在那裡的是一輛車，而不是一隻羊駝。在停車位上停着一隻羊駝是很不尋常的事，對嗎？如果你住在大都市中，那麼的确是這樣；但如果你住在安第斯山脈的牧場上，可能就不會不尋常了。你所在的地方就是你的與境，它為一隻羊駝停在車庫裡這一基本事件賦予了意義。
類似地，在實體學的測量中，這種互文性描述了觀測的細節會如何或是否會影響被觀測的内容。這意味着測量結果可能取決于我們如何進行測量，或者我們選擇了什麼樣的測量組合。比如在測量粒子的特性時，與其認為這些特性具有固定的值，不如将它們視為語言中的單詞，其含義可以根據與境而變化。
量子力學無法告訴我們，當我們沒有在觀測時，如電子等量子粒子都在做些什麼。一個能提供更多資訊的理論，或許能讓我們對這些粒子在任何時候都在做什麼有一個完整的了解，并且還能告訴我們可測量的量的值，比如動量或自旋，即使我們沒有試圖去測量它們。
經典的牛頓力學就是一個具有這些特征的理論。經典粒子有着具體的位置和速度，當我們沒有在觀測它們的時候，也知道它們在做什麼。科學哲學家稱這種特征為确定性，因為可測量的量是具有确定的值的。那麼，量子力學中是否存在一個“确定的”理論？一個能告訴我們關于電子的一切的理論，并提供與量子力學實驗相同的預測？
1967年，科亨（Simon Kochen）、施佩克爾（Ernst Specker）提出，一個量子系統不可能擁有能在所有的可能性下定義其所有屬性值的隐變量。這在後來被稱為科亨-施佩克爾定理，它表明一個可以用來描述量子粒子究竟在做什麼（即使我們沒有在觀測）的理論，必定是互文的。換句話說，一個電子的速度和自旋的值，必須以某種方式取決于我們如何測量它們。
大約在同一時間，貝爾也發現了類似的結果，表示任何能再現量子實體學預測的隐變量理論都必須表現出互文性。
新研究
非定域性和互文性是随着量子理論一同出現的，但幾十年來，它們各自獨立發展。2014年，有科學家進行了一項與一個特殊案例有關的研究。他們在一個量子系統中，發現隻能觀察到非定域性和互文性的其中一種。這一發現後來被稱為單配性（monogamy）。
科學家推測，非定域性和互文性是以不同方式觀察到的相同的一般行為的不同面。然而，一項由中國和巴西科學家開展的研究表明，無論從理論上還是實驗上，事實都并非如此。他們證明了這兩種現象是可以在量子系統中同時觀察到的。
這個幾何圖形表示實驗中所有測量值之間的相容關系。每個測量值由一個頂點表示。由邊連接配接的頂點表示相容的測量值。“觀察者A”（紅點）的兩個測量值與“觀察者B”（藍點）的所有測量值相容。B的測量值的相容性在這裡用淺藍色的七邊形表示。2×2的相容測量集是聯合相容的。(圖/Rafael Rabelo/UNICAMP)
這項新的研究明确地表明，量子實體學與經典實體學的兩種不同的基本方式可以在同一系統中同時觀察到，這與通常的看法相反。是以，非定域性和互文性顯然不是同一現象的互補表現。
實際上，非定域性是量子加密的重要資源，而互文性是特定量子計算模型的基礎。在同一系統中同時擁有兩者的可能性，可以為新的量子資訊處理和量子通信協定的發展鋪平道路。
參考來源：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.040201
封面圖/首圖素材：Rafael Rabelo