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利用量子纠缠能实现超光速通信吗?

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:10

    利用量子纠缠能实现超光速通信吗?

    【图片说明】太阳帆探访遥远的行星或恒星系统的概念图

    几个月前,亿万富翁Yuri Milner和天体物理学家Stephen Hawking共同宣布了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?

    这当然值得考虑。让我们看看这个想法。

    利用量子纠缠能实现超光速通信吗?

    想象你有两枚硬币,每一枚都可翻转为正面或背面。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”的机会是50/50,我们各自得到“背面”的机会也是50/50。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”仍然是50/50.但是在一些情况下,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,你会100%肯定我的硬币会显示为“背面”,在我告诉你之前。你会瞬间就知道,即使我们相隔数光年而且连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独立的粒子,例如电子或光子,其中,例如,每个光子自旋+1或-1。如果你测量它们中一个的自旋,你瞬间就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。

    利用量子纠缠能实现超光速通信吗?

    【图片说明】创造两个纠缠的光子,并将它们分开很远,我们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Olivier的问题:我们可以利用该特性——量子纠缠实现从遥远恒星系统到我们的通信吗?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,当你提到通信时,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,搭载到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,留在地球上的粒子会呈现为-1态,从而告知知你宇宙飞船在宜居带发现了一颗岩石行星,或者是-1态,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?”纠缠才起作用。如果你迫使一个纠缠态粒子成为一种特殊的状态,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独立了。如果只是测量出远处的粒子的状态是+1或-1,那么你在地球上的测量结果就肯定是-1或+1(分别),从而告诉你远在数光年外的粒子的信息。但是迫使远处的粒子为为+1或-1,那就意味着,不管结果如何,你在地球上的粒子有50/50的机会是+1或-1,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?要理解为什么这是不可能,要求我们理解量子物理的关键特性:迫使纠缠系统的一部分成为一种状态或另一种状态,不能让你通过测量系统的其它部分得到信息。正如尼尔斯·波尔曾经说过的那句名言:

    如果量子力学没有震撼到你,你一定还没有理解它。

    宇宙一直在和我们抛骰子,这使爱因斯坦十分懊恼。但是即使我们尽最大努力在游戏中作弊,也会被自然本身挫败。只要裁判始终与量子物理定律保持一致!

    撰文:Ethan Siegel

    翻译:余卉

    审校:韩晶晶

    原文链接:

    https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/04/30/ask-ethan-can-we-use-quantum-entanglement-to-communicate-faster-than-light/#3a8a11307c5f

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