在恒星格利泽667Cc上的日落（艺术渲染图）。（? ESO/L.Calcada）
早前，在霍金的第二条微博中提到的突破摄星是一个野心勃勃的计划。他们打算将人类制造的飞船首次送往另一个恒星系统。虽然一个巨大的激光阵可以发射一个质量很小，只有微芯片的大小的飞船以~20%的光速前往另一个恒星，但是这么一个低功率的设备要如何穿越广袤的星际空间与我们通讯还毫无头绪。那么问题来了，有没有可能通过量子纠缠来实现星际间的通讯？
这是一个很值得深究的问题。我们先来做一个简单的实验了解一下什么是纠缠。
两枚硬币：一枚显示正面，一枚显示反面。（? United States Mint）
想象一下你有两枚硬币，每枚都有正面和反面。现在，你有一枚，我有一枚，我们之间相隔非常的遥远。我们一起把硬币扔向空中，然后把它们拍在桌子上。在我们看结果之前，我们预期我们两都会有50/50的概率看到“正面”，以及50/50的概率看到“反面”。在一个正常、非纠缠的宇宙，你看到的结果和我看到的结果是完全相互独立的：如果你得到了“正面”，我得到“正面”或“反面”的概率都是50/50。但是在某些情况下，这些结果可以是纠缠的，意思是说如果我们同样做这个实验，当你得到“正面”的结果的时候，在我告诉你我的结果之前你就可以100%的确定我的硬币显示的肯定是“反面”。即使我们之间相隔光年之远，你也可以立即我的结果。
这个系统拥有两个物体，它们分别为方形和圆形。这两个物体可以有四种组合态（圆，圆），（圆、方），（方，圆），（方，方）。这个图显示了经典情况下两个物体相互独立，知道了其中一个物体的态对另一个态的信息完全没帮助。如果第一个物体是方的，我们对第二个物体的形状还是不确定。（? Olena Shmahalo）
在量子物理中，纠缠通常发生在粒子之间，像电子和光子。举个例子，每个光子可以拥有自旋+1或-1。如果你测量了其中一个光子的自旋，你就可以立即得到另一个的自旋，即使它们相隔半个宇宙长度那么远。在测量其中一个光子的自旋之前，它们都停留在不确定性态，一旦对其中一个粒子的自旋进行了测量，就会同时知道两个的。相关的实验已经在地球上实现了，物理学家将两个纠缠的光子相隔数英里，他们发现如果测量得到其中一个自旋为+1，那么我们立即就会知道另一个为-1。实验结果显示这比光速通讯快至少1万倍。
这是纠缠系统的情况，知道了一个态就能立即获取另一个的信息。知道第一个物体是圆，我们就知道第二个也是圆的。知道了一个物体的形状就可以确定的知道另一个。（? Olena Shmahalo）
现在我们就回到最初的问题上，是否能够利用量子纠缠的技术实现跟遥远恒星之间的通讯？当我们说通讯的时候，通常是指我们想知道目的地的一些情况。举个例子，你可以让一个纠缠粒子保持不确定性状态，然后把它放置在飞船内送往邻近的恒星。它的任务是寻找该恒星系统内宜居区域内是否存在着岩石行星的迹象。如果发现岩石星系，就迫使粒子为+1态，如果没找到，就迫使粒子处于-1态。
从一个预先存在的系统中制造两个纠缠的光子，并把它们分开很远的一段距离，知道其中一个光子的状态就能立即知道另一个的。（? Melissa Meister）
所以，当你对地球上的粒子进行测量时要么得到-1态表明飞船找到一个岩石行星，如果是+1态就表示没有找到。一旦你知道远处的粒子已经被测量了，你就可以进行测量并立即知道远处粒子的态，即使是许多光年外。
通过双缝的电子波形，一旦测量到电子通过了哪个狭缝，就破坏了量子干涉形状。（? Dr. Tonomura and Belsazar）
这看起来是个绝妙地想法，但是这里有一个问题：只有当你问一个粒子处于什么态时纠缠才能运作。如果你迫使一个纠缠粒子处于一个特定的态，你就打破了纠缠，那么你在地球上的测量就完全与在遥远恒星上的测量无关。如果你只是简单地测量遥远粒子的自旋为+1或-1，那么你在地球上的测量就会是-1或+1，你就获得了在光年外粒子的信息。但是通过迫使远处的粒子为+1或-1，这就意味着不管是什么结果，你在地球上得到+1或-1的概率都是 50/50。
量子抹除器的实验装置，两个纠缠粒子被分开并测量。（? Wikimedia Commons）
这是量子力学最令人困惑的地方。当你知道一个系统的全态并对其中一个部分进行测量的时候，纠缠可以用来获取一个另一个部分的信息，但不是从一个纠缠系统的一部分制造和发射信息到另一个部分。虽然这个想法非常耐人寻味，但是超光速通讯还不能够纠缠实现。
量子纠缠的性质在很多方面都有着无限的前景，比如量子计算机。但是超光速通讯？要理解为什么这不可能需要我们理解量子力学的一个主要性质：迫使一个纠缠系统的一部分成为一个特定态或另一个态不允许你获得其它部分的信息。正如玻尔所说：
“如果谁不为量子理论而感到困惑，那他就是没有理解量子理论。”
本文经授权转载自原理微信公众号
联系客服
