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利用量子纠缠能实现超光速通信吗?

虽然量子纠缠这种“幽灵般的超距作用”的确存在,但我们却无法利用它来实现星际超光速通信。 


撰文 Ethan Siegel

翻译 余卉

审校 韩晶晶



太阳帆探访遥远的行星或恒星系统的概念图。图片来源:Andrzej Mirecki / Wikimedia Commons

 

几个月前,亿万富翁尤里·米尔纳(Yuri Milner)和天体物理学家斯蒂芬·霍金共同宣布了“突破摄星”(Breakthrough Starshot)计划,这个极富雄心的计划要把第一艘人造宇宙飞船发射到银河系的另一个恒星系统。虽然用一个巨大的激光阵列将一个质量很小、仅有微型芯片大小的宇宙飞船以20%光速发射到另一个星球是可行的,但是我们还不清楚像这样一个动力不足的小设备如何能跨越巨大的星际空间与地球通信。有人提出了这样的设想:或许可以用量子纠缠来通信?

 

那么量子纠缠到底是什么呢?

 

想象你有两枚硬币,每一枚都有不同的正面或背面,你拿着一枚我拿着一枚,我们彼此距离非常远。我们在空中抛掷它们,接住,拍在桌子上。当我们拿开手查看结果时,我们预期各自看到“正面”的概率是50%,各自得到“背面”的概率也是50%。在普通的非纠缠宇宙中,你的结果和我的结果完全相互独立:如果你得到了一个“正面”结果,我的硬币显示为“正面”或“背面”的概率仍然各为50%,但是在某些情况下,这些结果会相互纠缠,也就是说,如果我们做这个实验,而你得到了“正面”结果,那么不用我来告诉你,你就会瞬间100%肯定我的硬币会显示为“背面”,即使我们相隔数光年而连1秒钟都还没有过去。

 

在量子物理中,我们通常纠缠的不是硬币而是单个的粒子,例如电子或光子等。例如,每个光子自旋+1或-1,如果两个光子互相纠缠,你测量它们中一个的自旋,就能瞬间知道另外一个的自旋,即使它跨过了半个宇宙。在你测量任一个粒子的自旋前,它们都以不确定状态存在;但是一旦你测量了其中一个,两者就都立刻知晓了。我们已经在地球上做了一个实验,实验中我们将两个纠缠光子分开很多千米,在数纳秒的间隔内测量它们的自旋。我们发现,如果测量发现它们其中一个自旋是+1,我们知晓另一个是-1的速度至少比以光速进行通信快10000倍。 

 


创造两个互相纠缠的光子以后,哪怕将它们分开很远,我们也可以通过测量其中一个的状态来得知关于另一个的信息。图片来源:Melissa Meister

 

现在回到文章开头的问题:我们可以利用量子纠缠的该特性实现与遥远恒星系统的通信吗?回答是肯定的,如果你认为从遥远的地方进行测量也算是一种“通信”的话。但是,一般我们所说的“通信”,通常是想要知道你的目标的情况。例如,你可以让一个纠缠粒子保持着不确定状态,搭载上前往最近恒星的宇宙飞船上,然后命令飞船在那个恒星的宜居带寻找岩石行星的踪迹。如果找到了,就进行一次测量使所携带的粒子处于+1态,如果没有找到,就进行一次测量使所携带的粒子处于-1态。

 

因此,你推测,当飞船进行测量时,如果留在地球上的粒子呈现为-1态,你就知道宇宙飞船在宜居带发现了一颗岩石行星;留在地球上的粒子会呈现为+1态,就告诉你宇宙飞船还没有发现行星。如果你知道飞船已经进行了测量,你应该可以自己测量留在地球上的粒子,并立即知道另一个粒子的状态,即使它远在许多光年外。

 

这是一个聪明的计划,但是有一个问题:只有你询问一个粒子“你处于什么状态?”(也就是说测量)时纠缠才起作用,但如果你对一个纠缠态粒子实施测量,迫使它成为一个特定的状态,你就破坏了纠缠,你在地球上做的测量与在遥远恒星旁做的测量就完全不相关了。如果在远处进行一次测量,让粒子的状态为+1,当然在地球上测量出结果就是-1,从而告诉你远在数光年外的粒子的信息。但你不可能在测量的过程中不破坏纠缠,而一旦纠缠被破坏,那就意味着,不管结果如何,你在地球上的粒子为+1或-1的概率都是50%,和若干光年外的粒子再没有关系。

 

这是量子物理最令人困惑的一点:当你知道系统完整状态,并对系统的其余部分进行测量时,可以通过纠缠获取系统某一个部分的信息,但是不能从纠缠系统的某个部分创建并发送信息到另一部分。尽管这个想法很聪明,但超光速通信依然是不可能实现的。

 

量子纠缠是一种美妙的性质,我们可以将其用于许多方面,例如终极密钥安全系统,但是超光速通信是不可能实现的。要理解为什么,就需要理解量子物理的关键特性:只要你迫使纠缠系统的一部分坍缩为一个特定状态,你就无法通过测量系统的其它部分得到信息。正如量子力学先驱尼尔斯·玻尔曾经说过的那句名言:

 

如果量子力学没有震撼到你,一定是因为你还没有理解它。

 

宇宙一直在和我们掷骰子,这使爱因斯坦十分懊恼,而且即使我们尽最大努力在游戏中作弊,最终也会被自然本身挫败。量子物理定律就是保持着这么完美的一致性——如果体育比赛裁判们的判罚标准也这么一致就好了。


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