即使有量子糾纏,也沒有比光速還快的通信

黃文心 發佈 2023-04-02T02:26:17.009754+00:00

即使有量子隱形傳態和量子糾纏態的存在,超光速通信仍然是不可能的對於許多人來說,即使在很遠的距離上也能保持的量子糾纏的概念使人們希望有一天它可以用於比光速更快的通信。但相對論和量子力學都有基本定律,即使糾纏量子態確實存在並遵守神秘的規則,但沒有任何信息可以比光速更快地交換。

即使有量子隱形傳態和量子糾纏態的存在,超光速通信仍然是不可能的

  • 對於許多人來說,即使在很遠的距離上也能保持的量子糾纏的概念使人們希望有一天它可以用於比光速更快的通信。
    • 但相對論和量子力學都有基本定律,即使糾纏量子態確實存在並遵守神秘的規則,但沒有任何信息可以比光速更快地交換。
    • 因此,無論您的量子力學設置如何,都不會發生超光速通信。除非存在非常奇特的東西,否則超光速通信是不可能的。

    愛因斯坦於 1905 年首次提出,物理學一個無可爭議的最基本規則,即任何類型的信息攜帶信號都不能以超過光速的速度穿過宇宙。粒子,無論是有質量的還是無質量的,都需要將信息從一個位置傳輸到另一個位置,並且這些粒子必須按照相對論規則,以低於(有質量的)或以(無質量的)光速傳播。你或許可以利用彎曲的空間讓那些信息載體走捷徑,但它們仍然只能以光速或以下的速度穿越空間。

    然而,自量子力學發展以來,許多人試圖利用量子糾纏的力量來顛覆這一規則。在各種嘗試中設計了許多聰明的方案來傳輸「欺騙」相對論的信息,期望實現比光速更快的通信。儘管這是繞過宇宙規則的令人欽佩的嘗試,但每一個方案不僅都失敗了,而且事實證明所有這些方案都註定要失敗。即使有量子糾纏,超光速通信在我們的宇宙中仍然是不可能的。

    從概念上講,量子糾纏是一個簡單的概念。您可以從想像經典宇宙和您可以執行的最簡單的「隨機」實驗之一開始:進行拋硬幣。如果你和我每人有一枚公平的硬幣並擲它,我們每個人都希望我們每個人都有 50/50 的機會得到正面,而我們每個人都有 50/50 的機會得到反面。你的結果和我的結果不僅應該是隨機的,而且應該是獨立的和不相關的:不管你的擲骰結果如何,我得到正面或反面的機率仍然應該是 50/50。

    但如果這畢竟不是一個經典系統,而是一個量子系統,那麼你的硬幣和我的硬幣可能會糾纏在一起。我們每個人可能仍然有 50/50 的機會得到正面或反面,但如果你擲硬幣並測量正面,你將立即能夠以高於 50/50 的準確度統計預測 的硬幣是否可能落在無論是正面還是反面。這是量子糾纏的重要思想:兩個糾纏量子之間存在相關性,這意味著如果你實際測量其中一個的量子態,另一個的狀態不會立即確定,而是可以收集到一些關於它的概率信息。

    通過從一個預先存在的系統中創建兩個糾纏光子並將它們相距很遠,我們可以通過測量另一個的狀態來「傳送」有關一個狀態的信息,即使是從非常不同的位置。要求局部性和現實性的量子物理學解釋無法解釋無數的觀察結果,但多種解釋似乎都差不多。

    從概念上講,這是如何工作的?

    在量子物理學中,存在一種稱為量子糾纏的現象,即你創造了多個量子粒子——每個量子粒子都有自己獨立的量子態——其中關於兩種狀態總和的一些重要信息是已知的。就好像有一根看不見的線連接著這兩個量子(或者,如果根據量子力學定律,兩枚硬幣糾纏在一起,你的硬幣和我的硬幣),當我們中的一個人對我們擁有的硬幣進行測量時,我們可以立即了解另一枚硬幣的狀態,這超出了我們熟悉的「經典隨機性」。

    雖然這聽起來像是純粹的理論工作,但它已經在實驗領域進行了幾十年。我們創造了成對的糾纏量子(具體來說是光子),然後它們被彼此帶走,直到它們相隔很遠,然後我們有兩個獨立的測量裝置,可以告訴我們每個粒子的量子態是什麼. 我們儘可能同時進行這些測量,然後聚在一起比較我們的結果。這些實驗意義深遠,以至於遵循這些思路的研究獲得了 2022 年諾貝爾物理學獎。

    單重態(藍色)下兩個自旋的量子相關性的最佳局域現實主義模仿(紅色),堅持在 0 度時完美反相關,在 180 度時完美相關。受這些附加條件影響的經典相關性存在許多其他可能性,但所有可能性都以 0、180、360 度處的尖峰(和低谷)為特徵,並且沒有一個在 45、135 度處具有更極端的值(+/-0.5), 225、315度。這些值在圖中用星號標記,並且是在標準 Bell-CHSH 型實驗中測量的值。量子和經典預測可以清楚地辨別出來,並在 1972 年 Stuart Freedman 的博士論文中以各種角度被識別出來。

    我們發現,也許令人驚訝的是,你的硬幣和我的硬幣的結果(或者,如果你願意,你的光子的自旋和我的光子的自旋)是相互關聯的!我們現在已經將兩個光子分開數百公里的距離,然後再進行這些關鍵測量,然後在納秒內測量彼此的量子態。如果其中一個光子的自旋為 +1,則另一個光子的狀態可以預測到大約 75% 的準確度,而不是你知道它是 +1 或 -1 時通常期望的標準 50%。

    此外,關於另一個粒子的自旋的信息可以立即獲知,而是不需要等待其他測量設備向我們發送該信號的結果。從表面上看,我們似乎可以知道糾纏實驗另一端正在發生的事情的一些信息,不僅速度比光速快,而且至少比光速快數萬倍。這是否意味著信息實際上以比光速更快的速度傳輸?

    如果兩個粒子糾纏在一起,它們具有互補的波函數特性,測量一個粒子就可以確定另一個粒子的特性。然而,如果你創造了兩個糾纏的粒子或系統,並測量一個在另一個衰變之前如何衰變,你應該能夠測試時間反演對稱性是否守恆或被破壞。

    從表面上看,信息似乎確實以比光速還快的速度傳遞。例如,您可能會嘗試編造一個遵循以下設置的實驗:

    • 您在一個(源)位置準備了大量糾纏的量子粒子。
    • 您將一組糾纏對傳輸到很遠的距離(到目的地),同時將另一組糾纏粒子保持在源頭。
    • 你在目的地有一個觀察者尋找某種信號,並迫使他們糾纏的粒子進入 +1 狀態(對於正信號)或 -1 狀態(對於負信號)。
    • 然後,您在源頭測量糾纏對,並 以高於 50/50 的可能性確定 目的地觀察者選擇的狀態。

    如果這個設置有效,你真的能夠知道在遙遠目的地的觀察者是否迫使他們的糾纏對進入 +1 或 -1 狀態,只需在遠處打破糾纏後測量你自己的粒子對。

    電子通過雙縫的波型,一次一個。如果你測量電子穿過「哪個狹縫」,你就會破壞這裡顯示的量子干涉圖樣。不管解釋如何,量子實驗似乎關心我們是否進行某些觀察和測量(或強制進行某些交互)。

    這似乎是實現超光速通信的絕佳設置。您所需要的只是一個準備充分的糾纏量子粒子系統,一個在您進行測量時就各種信號的含義達成一致的系統,以及一個您將進行這些關鍵測量的預定時間。即使在光年之外,您也可以通過觀察隨身攜帶的粒子立即了解目的地的測量結果。

    但這是對的嗎?

    這是一個非常聰明的實驗方案,但實際上並沒有以任何方式得到回報。當您在粒子對糾纏和產生的原始來源處進行這些關鍵測量時,您會發現一些非常令人失望的事情:您的結果僅顯示 50/50 的機率處於 +1 或 -1 狀態。就好像遠處觀察者的行為,迫使他們的糾纏對中的成員處於 +1 或 -1 狀態,對你的實驗結果根本沒有影響。如果根本沒有任何糾纏,結果與您的預期相同。

    測試量子非定域性的第三方面實驗示意圖。來自光源的糾纏光子被發送到兩個快速開關,將它們引導到偏振檢測器。這些開關可以非常迅速地更改設置,從而在光子飛行時有效地更改實驗的探測器設置。令人費解的是,不同的設置會導致不同的實驗結果。

    我們的計劃在哪裡失敗了?正是在我們讓目的地的觀察者進行觀察並嘗試將該信息編碼到他們的量子態的步驟中,我們之前曾說過,「你讓目的地的觀察者尋找某種信號,然後力它們糾纏的粒子進入 +1 狀態(對於正信號)或 -1 狀態(對於負信號)。」

    當你採取這一步驟時——迫使一對糾纏粒子中的一個成員進入特定的量子態——該行為不僅會破壞兩個粒子之間的糾纏,而且不會破壞糾纏並確定該粒子的屬性;它打破了糾纏並將其置於一個新狀態,該狀態不關心通過公平測量「確定」了哪個狀態(+1 或 -1)。

    也就是說,糾纏對中的另一個成員完全不受這種「強迫」作用的影響,它的量子態仍然是隨機的,是+1和-1量子態的疊加。你通過「強迫」糾纏粒子的一個成員進入特定狀態所做的事情完全打破了測量結果之間的相關性。您「強迫」目標粒子進入的狀態現在與源粒子的量子態 100% 無關。

    量子擦除實驗設置,其中兩個糾纏粒子被分離和測量。一個粒子在其目的地的改變不會影響另一個粒子的結果。您可以將量子擦除器等原理與雙縫實驗結合起來,看看如果您保留或破壞,或者查看或不查看您通過測量狹縫本身發生的信息而創建的信息會發生什麼。

    可以規避這個問題的唯一方法是是否存在某種方法來進行實際上強制產生特定結果的量子測量,這是違背在目前已知的物理定律。

    如果你能做到這一點,那麼目的地的某個人就可以進行觀察——例如,了解他們正在訪問的行星是否有人居住——然後使用一些未知的過程來:

    • 測量他們的量子粒子的狀態,
    • 如果這個星球有人居住,結果將是+1,
    • 或者 -1 如果行星無人居住,
    • 從而使擁有糾纏對的源觀察者能夠立即弄清楚這個遙遠的行星是否有人居住。

    不幸的是, 量子測量的結果不可避免地是隨機的;您無法將首選結果編碼為量子測量。

    即使利用量子糾纏,在了解糾纏實驗另一端發生的事情時,也不可能比隨機猜測做得更好,無論它是關於光子自旋、拋硬幣,還是試圖知道什麼莊家手中的牌。

    正如 量子物理學家查德·奧澤爾 (Chad Orzel) 所寫,進行測量(保持對之間的糾纏)和強制一個特定結果(這本身就是狀態的變化)然後進行測量(糾纏不存在)之間存在很大差異保持)。如果你想控制而不是簡單地測量量子粒子的狀態,那麼一旦你進行狀態改變操作,你就會失去對組合系統的完整狀態的了解。

    只要糾纏保持完整,量子糾纏只能用於通過測量另一個組件來獲取有關量子系統一個組件的信息。你不能做的是在糾纏系統的一端創建信息,然後以某種方式將其發送到另一端。如果你能以某種方式複製你的量子態,超光速通信終究是可能的, 但這也是違背物理定律的。

    如果你能以某種方式獲得一個量子態並複製它,就有可能設計出一種比光速還快的通信方案。然而,早在 1970 年代和 80 年代,多個獨立團體就證明了一個有效的不可克隆定理,因為嘗試測量量子態(了解它是什麼)的行為從根本上改變了結果。

    通過利用量子糾纏的奇異物理學,您可以做很多事情,例如 通過創建一個量子鎖和鑰匙系統, 該系統對於純經典計算來說幾乎牢不可破。但事實上, 你不能複製或克隆一個量子態 ——因為僅僅讀取狀態的行為會從根本上改變它——是任何通過量子糾纏實現超光速通信的可行方案的關鍵所在。量子糾纏本身就是一個豐富的研究領域,其許多方面在 2022 年諾貝爾物理學獎中得到認可。

    量子糾纏在實踐中的實際工作方式有 很多微妙之處,但關鍵要點是:沒有任何測量程序可以在保持粒子之間糾纏的同時強制產生特定結果。任何量子測量的結果都不可避免地是隨機的,從而否定了這種可能性。事實證明,沒有任何信息可以比光速更快地發送,從而使我們的宇宙仍然保持原有的因果關係。

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