2020-06-23 07:46

量子通信能超光速吗?把纠缠粒子放在宇宙两端

一直以来人们都相信通过不断的探索和研究,可以对世界上任何的事物进行准确的测量,并且能够对事物未来的发展进行准确的预测,简言之就是世界具有确定性,而我们是否能够掌握这种确定性取决于我们对世界的认知水平。比如我们可以测量任何一个移动中的物体所处的位置,并且能够在获得这个物体所在位置的同时测量出这个物体运动的速度,或者说是动量。

无论这个将要被测量的物体是一块抛掷而出的石块,还是一辆飞奔行驶的汽车,甚至是宇宙中天体的运行,这都不是问题,我们能够在掌握它们位置的同时获得它们的动量信息,而且能够根据这些信息对其进一步的运动做出预测。

在宏观世界之中,我们能够获得一个物体所处的位置以及移动的速度,并能够据此判断出在一定时间之后它将会出现在哪个位置,这是理所当然的事情,但是这种理所当然在微观世界里却是行不通的。

量子力学是现代物理学的两大支柱之一,它可以完美描述除引力以外的其余三种基本力,量子力学为我们敲开了微观世界的大门,毫无疑问,量子力学是伟大的,但同时它也带给我们困惑,因为量子力学所描述的微观世界充满了不确定性。与宏观世界不同,在微观世界之中,无论使用任何方法也不可能同时获得一个粒子的位置和动量信息,也就是说当我们确定了一个粒子所在的位置,则无法测量它的动量,而测准的动量,则无法确定粒子的位置信息,这就是著名的海森堡不确定性原理。

如果说不确定性原理是量子力学的第一大困惑,那么第二大困惑就一定是那有趣的超距作用了。

在宇宙之中,任何力的作用方式都不是瞬时的,无论是电磁力、强核力还是弱核力都要有相应的传播介质并存在着一定的传播速度,引力也同样如此,引力的作用也不是瞬时的,它的速度等同于光速,如果地球突然消失,月球仍然会在地球的引力作用下运动一小段时间。

但是在微观世界中存在着一种有趣的现象,这种现象被称之为量子纠缠,它是一种超距作用,不需要传播介质,也没有速度,相互纠缠的粒子之间的相互作用是瞬时实现的。两个粒子一旦发生相互纠缠,那么无论两个粒子相距多远,它们的关联都不会被打破,而且它们的相互作用是瞬时实现的。

举个例子,假设我们将两个实现了相互纠缠的粒子放置在宇宙的两端,准确的说应该是可观测宇宙的两端,那么这两个粒子之间的距离就达到了惊人的930亿光年。

现在我们要对这两个粒子进行测量。在测量之前,粒子的自旋性质是无法确定的,或者说是处于一种叠加态,如果要进行描述,此时粒子的自旋性质应该被描述为上旋与下旋的叠加态。当我们开始测量的时候,粒子的自旋性质便会确定下来,有趣的是,我们只需要测量一个粒子,此时位于宇宙另一端的粒子的自旋性质也会被确定,而且是瞬时的。这是因为两个粒子一旦实现了相互纠缠,那么它们之间的物理性质就会相互关联,当我们通过测量使一个粒子的物理性质确定了下来,另一个粒子的物理性质也就同时被确定了。

可见,两个实现相互纠缠的粒子无论距离多远,它们之间物理性质的关联都不会发生变化,而且相互影响的速度都是瞬时的。

量子纠缠是一种超距作用,所以它必然超越光速,而现在又有一个热门的概念,就是量子通信,那么是不是利用量子纠缠就可以实现超光速通信呢?当然不是。光速最快原理指的是宇宙系统内有信息传递的移动速度,而量子纠缠并不包括信息的传递,两个粒子只是在物理性质上实现了关联,却无法相互传递信息。

那么既然无法相互传递信息,那么量子通信又是怎么一回事呢?实际上量子通信技术是利用量子之间的相互纠缠来给星系进行加密,而并不能直接传递信息,信息仍然是通过电磁波来传递,所以信息本身的传递速度也不可能超越光速。