量子力学建立初期，“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇，爱因斯坦将其称之为“遥远地点之间的诡异互动”。量子力学中的所谓纠缠是这样一种现象：两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的关联状态，两个粒子的状态原本都未知，但只要测量其中一个粒子，就能立即知道另外一个粒子的状态，哪怕它们之间相隔遥远的距离。过去的大半个世纪里，这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。
上世纪，关于纠缠现象的看法将物理学家划分成了两派：以玻尔为代表的哥本哈根学派认为，对于微观的量子世界，所谓的“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义；但爱因斯坦等科学家无法接受这种观点，他们认为量子力学是不完备的，测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定，只是我们没能探测到它。1935年，爱因斯坦和Podolsky及Rosen一起发表了一篇题为《Can quantum mechanics description of physical reality be considered complete》的文章，论证量子力学的不完备性，通常人们将他们的论证称为EPR佯谬或者Einstein定域实在论。
爱因斯坦与玻尔这场论战的源头要从牛顿说起。
第1回合爱因斯坦发动攻势
在20世纪之前，整个物理学尽在牛顿经典物理学的掌控之下，在牛顿的宇宙里，世界就是一个精密的钟表，上帝造好表，上好发条，以后的一切就是确定无疑的。然而进入了20世纪后，牛顿的这座巍峨神殿在新发现的撞击下轰然倒塌了。在倒塌的废墟下两个新的门派站了起来，这两个门派，一个是爱因斯坦以一人之力独撑起来的相对论，另一个则是多位大师合力塑成的量子力学。不过，这两个门派却无法和谐相处，相对论虽然推翻了牛顿的绝对时空观，却仍保留了严格的因果性和决定论，而量子力学却更激进，抛弃了经典的因果关系，宣称人类并不能获得实在世界的确定的结果，它称自己只有由这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率，而拒绝对事物在两次测量之间的行为做出具体描述。正是这一点成了论战的主战场，爱因斯坦深信，物理学规律是关于存在的规律，而不是一些可能性。在一些记述中，这场论战往往被过分简化或者美化，说成是正确的某一方击败了另一方，而事实要复杂曲折得多。两人的第一次交锋是1927年的第五届索尔维会议，尽管没有详细的会议记录，但一些回忆录提供了粗略的记述。这次会议可说群贤毕至，对支持量子力学的学者来说更是一次成功的大会，在闭幕式之前的讨论中，量子力学派取得了压倒性的胜利，爱因斯坦一直在旁静坐，没有发言。但是在闭幕式玻尔结束关于“互补原理”的演讲后，提出相对论的天才突然开口了：“很抱歉，我没有深入研究过量子力学，不过我还是愿意谈一些一般性的看法。”然后，爱因斯坦用自己研究过的一个关于α射线粒子的例子表示了对之前玻尔等学者发言的质疑，不过他的发言相当温和，甚至没有提及后来双方论战的重点———海森堡的测不准关系和玻尔的互补原理。在爱因斯坦的发言之后，正式会议结束。但在之后几天的时间里，讨论在继续。根据与会人海森堡的回忆，常常是在早餐的时候，爱因斯坦设想出一个巧妙的思想实验，以为可以难倒玻尔，但到了晚餐桌上，玻尔就想出了招数，一次次化解爱因斯坦的攻势。到最后，谁也没有说服谁。第一回合，爱因斯坦受到了挫败，但从双方的逻辑立场看，他相信自己占着有利的位置。因为他只要找到一个能够成立的反例，就可以推翻或者至少动摇玻尔的不确定观点，而玻尔无论举出多少证明他的观点成立的例子也无济于事。
第2回合 “光子盒”无功而返
之后发生的一件事显然进一步“激怒”了爱因斯坦。 1929年，玻尔发表了一篇剑走偏锋的论文，用相对论的基本原理同他的量子力学理论相比较，其中说“通过对于观察问题的深入分析，相对论注定要揭露一切经典物理学概念的主观性质”，为他关于“在主体和客体之间不可能保持任何明确分界线”的主张提供佐证。早已名满天下的爱因斯坦当然不会容忍这样的“挑衅”。1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开，早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了一个著名的思想实验———“光子盒”。这个实验的装置是一个一侧有一个小洞的盒子，洞口有一块挡板，里面放了一只能控制挡板开关的机械钟。小盒里装有一定数量的辐射物质。这只钟能在某一时刻将小洞打开，放出一个光子来。这样，它跑出的时间就可精确地测量出来了。同时，小盒悬挂在弹簧秤上，小盒所减少的质量，也即光子的质量便可测得，然后利用质能关系E＝mc2便可得到能量的损失。这样，时间和能量都同时测准了，由此可以说明测不准关系是不成立的，玻尔一派的观点是不对的。没有记载显示玻尔第一时间的反应，也许是震愕当场，哑口无言。但是这个同样天才的大脑一样不肯轻易认输，经过了一个夜晚，很可能是一个不眠之夜，玻尔找到了一条路来指点这一似乎天衣无缝的实验的缺陷，而这条路竟然真的是爱因斯坦的相对论！光子跑出，挂在弹簧秤上的小盒质量变轻即会上移，而“以彼之道还施彼身”，根据广义相对论，如果时钟沿重力方向发生位移，它的快慢会发生变化，这样的话，那个小盒上机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之，用这种装置来测定光子能量，就不能够控制光子逸出的时刻———回到了测不准关系！玻尔就这样戏剧性地回答了爱因斯坦。在一些野史上，这个回合的交锋以下面的对话结束。爱因斯坦对玻尔说：“难道你们真的相信上帝也靠掷骰子办事吗？”玻尔回敬道：“我们不能教导上帝该怎么做！”无论如何，爱因斯坦没有被说服，因为玻尔的反驳只是取巧，理论上存在值得商榷之处，因为量子力学的假设不依赖测量过程的性质。不过这次会议多少是个转折点，爱因斯坦终于承认了玻尔对量子力学的解释不存在逻辑上的缺陷，他的主攻方向从找出量子力学的不自洽性，转到证明量子力学的不完备性上了。
第3回合 EPR佯谬影响深远
1935年，这场论战达到了它的顶峰，一篇题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文让论战的交战者远远超出了爱因斯坦和玻尔这两人。这篇论文由爱因斯坦、波道尔斯基、罗森三人联名发表，因此其提出的问题日后就被称为EPR佯谬，EPR即三人姓氏的首字母。用最简单的话来说，EPR佯谬的关键内容就是，假设一个二体系统，由A和B两部分组成，他们证明，此二体的“动量之和”与“位置之差”是可以同时测准的。然而，量子力学却不能提供同时测准它们的方法。据此，爱因斯坦认为量子力学是不完备的。这篇论文一发表就引起了轰动，爱因斯坦自己曾回忆，他很快收到了许多物理学家的信件，争先恐后地向他指出论证错在哪里，但让爱因斯坦感到有趣的是，他们的理由都各不相同。爱因斯坦最关心的回应当然来自于玻尔。在EPR论文发表的第二个月月底，玻尔即在《自然》杂志上发表了一封短信，对EPR表示异议，不久后又发表了一篇与EPR论文同题的正式文章，用微观系统的“整体性”或者“不可分离性”否定EPR的论证，他的这个思路可以借用黑格尔的一段名言阐释，即“全体的概念必定包含部分，但如果按照全体的概念所包含的部分来理解全体，将全体分裂为许多部分，则全体就会停止其为全体”。在之后的二三十年中，玻尔的理论占了上风，但是他还是没能说服爱因斯坦。 EPR的三位作者一直不承认他们的观点有错误，爱因斯坦到了晚年仍然在写文章为自己的观点辩护，批驳玻尔。后来，有人想将EPR佯谬的思想实验推进到真实实验，以此来证明孰是孰非。上世纪60年代，英国物理学家约翰·贝尔从数学上推导出了一个贝尔不等式，由此，人们才有可能设计实际的实验来检验量子力学关于远隔粒子量子关联的预言是否正确。70年代末80年代初，物理学家共完成了十几个实验，其中大多数的结果与量子力学的预言一致。但是，如果引入非决定论的随机性，那么上述实验其实只是说明了量子理论是超距关联、非定域的，而没有确定量子理论是决定论的还是非决定论的，上帝是否在掷骰子并无定论。 1955年，论战的一方爱因斯坦去世，此时，玻尔领导的哥本哈根学派在物理学界的地位正如日中天。但不能说爱因斯坦是这场论战的失败者，在EPR佯谬的启发下，越来越多的物理学家提出观点挑战玻尔的理论，或完善量子力学。到了上世纪七八十年代之后，哥本哈根学派终于丧失了它的正统地位。事实上，EPR佯谬，这柄爱因斯坦70年前铸下的剑，直到今天还在展露锋芒，近年，物理学家开始利用EPR关联进行信息传递和“量子计算”等等可能的实际用途。
玻尔和爱因斯坦为此争论了50年，直到他们最后去世问题也没有得到解决，一直吸引着后人想要去验证。
如何验证呢？
说到定域实在论，其实包含了两方面的含义：第一，物理实在论：任何一可观测的物理量必定客观上以确定方式存在，如果没有外界扰动，可观测的物理量应具有确定的数值；第二，定域因果性：如果两个事件之间的四维时空是类空间隔的，则两个事件不存在因果关系。基于这个理解，1964年，爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“贝尔不等式”，该定理对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。如果实验上贝尔不等式不成立，则意味着从定域实在论出发的预期不符合量子力学理论，也就是说，量子世界本身就是概率性的。
一直以来，人们设计了各种实验方案验证贝尔不等式正确与否，陆陆续续地，一些实验小组的结果倾向于支持贝尔不等式的破坏——即证明了量子力学的正确性。第一个真正确定性的实验是由法国物理学家阿斯派克特做出的，他们在上世纪七十年代做出的三个实验给出了量子力学非定域性的明确结论，但是最初的这些实验验证仍然存在漏洞。近年来不同国家的实验小组都尝试在实验中逐步关闭了局域漏洞、自由选择漏洞和探测效率漏洞，所有的实验结果都支持量子力学的结论,证明定域实在论是错误的。
Bell不等式走出实验室，飞向更远处
Bell不等式的破坏在实验室被验证，那么在更大的尺度上情况又如何呢？如果人们能在更远的距离验证量子纠缠的存在，也就意味着在更大的空间尺度上验证量子力学的正确性。于是，人们想要带Bell不等式往更远的地方飞去。但是在更大尺度上进行实验，存在一个拦路虎——衰减。这是什么意思呢？在实际实验中，人们常常用一种叫做“量子纠缠分发”的实验验证Bell不等式，它是把制备好的两个纠缠粒子（通常为光子）分别发送到相距很远的两个点，通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来验证量子力学和定域实在论孰对孰非。由于制备和发送的是一对对单光子，量子的不可复制性又决定了单光子的信号是不可放大的，光纤固有的光子损耗导致光量子传输很难向更远距离拓展。在地球表面，百公里级别的量子纠缠分发几乎已经是极限。
怎么办呢？有两种方案，一种是利用量子中继，一个个中继站就有点像古时候的驿站，一段段地传递光子，但是目前来说量子中继的研究还是受到了量子存储的时间和效率限制；另一个方案就是利用卫星实现量子纠缠分发，外太空的真空环境对光的传输几乎不存在衰减和退相干效应。星地间的自由空间信道损耗小，甚至理论上，利用卫星，科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道，有可能在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。
