量子糾纏概念是在愛(ài)因斯坦和玻爾之間進(jìn)行的著名論戰(zhàn)中產(chǎn)生的。愛(ài)因斯坦是量子力學(xué)的奠基人之一，光子這個(gè)概念就是他在20世紀(jì)初首先提出的。20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)迎來(lái)了革命性的發(fā)展，以丹麥物理學(xué)家玻爾、德國(guó)物理學(xué)家海森堡等人領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根學(xué)派，認(rèn)為粒子的狀態(tài)在測(cè)量之前是不確定的，處于多種可能狀態(tài)的“疊加之中”，這種狀態(tài)被稱為“疊加態(tài)”。只有當(dāng)我們?nèi)y(cè)量粒子到底處于什么狀態(tài)時(shí)，粒子才會(huì)隨機(jī)地進(jìn)入某一個(gè)確定的狀態(tài)。
愛(ài)因斯坦卻認(rèn)為粒子的狀態(tài)從始至終都應(yīng)該是確定的，只不過(guò)當(dāng)前的量子力學(xué)還不完善，并表示“上帝不擲骰子”。所以，多年來(lái)，愛(ài)因斯坦一直不斷對(duì)量子力學(xué)發(fā)起挑戰(zhàn)，辯論的對(duì)手則是他的好友玻爾。愛(ài)因斯坦發(fā)起的最后一次也是最為厲害的挑戰(zhàn)，發(fā)生在1935年。當(dāng)時(shí)，愛(ài)因斯坦和他的兩位同事共同撰寫(xiě)了一篇論文，證明了當(dāng)前的量子力學(xué)是有問(wèn)題的，因?yàn)榱孔恿W(xué)可以推導(dǎo)出一個(gè)看似不可能結(jié)論：兩個(gè)粒子經(jīng)過(guò)短暫的彼此相互作用之后，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)不可避免地瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，而不管它們之間相隔有多遠(yuǎn)。這種現(xiàn)象在后來(lái)被稱為量子糾纏。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，粒子之間的瞬間影響是不可能的，因?yàn)楠M義相對(duì)論已經(jīng)對(duì)物體之間傳遞的信息速度設(shè)定了限制——不可超過(guò)光速。
然而，實(shí)驗(yàn)反復(fù)證明了量子糾纏確實(shí)存在。對(duì)于許多外行來(lái)說(shuō)，這聽(tīng)起來(lái)好像量子糾纏可以把想要發(fā)送的消息從一個(gè)地方瞬間傳到另一個(gè)地方，來(lái)實(shí)現(xiàn)超光速通信，但事實(shí)并非如此。對(duì)處于糾纏中的一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量的結(jié)果是完全隨機(jī)的，你是無(wú)法控制的，而且進(jìn)行完測(cè)量后，兩個(gè)粒子的糾纏狀態(tài)就被破壞掉了。所以，你無(wú)法利用量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)超光速通信。
如何實(shí)現(xiàn)瞬間傳遞？
那么，量子糾纏是怎么實(shí)現(xiàn)瞬間傳送的呢？1993年，在加拿大蒙特利爾的一個(gè)研討會(huì)上，一些物理學(xué)家提出，量子糾纏雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)超光速通信，但可以借助它把一個(gè)粒子的狀態(tài)瞬間傳送給了另一個(gè)種類相同的粒子身上，使得另一個(gè)粒子表現(xiàn)得跟第一個(gè)粒子一樣，前提是沒(méi)有人知曉所傳送的這個(gè)狀態(tài)究竟是什么。
這種瞬間傳送并不會(huì)傳送任何物質(zhì)或能量，只是傳送了某種“不為人知”的狀態(tài)，所以，這種技術(shù)通常被稱為“量子隱形傳態(tài)”。下面，我們就來(lái)了解一下實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的大致步驟。
量子隱形傳態(tài)需要使用三個(gè)粒子，涉及到兩個(gè)地點(diǎn)。首先將粒子A和粒子B糾纏在一起，以建立傳送通道。假設(shè)粒子A位于北京，而粒子B被發(fā)送到另一個(gè)地點(diǎn)，比如上海。北京那里還有一個(gè)粒子C，與粒子B的種類相同。粒子C的狀態(tài)就是所要進(jìn)行傳送的狀態(tài)，但沒(méi)人知曉這個(gè)狀態(tài)究竟是什么。
為了進(jìn)行量子隱形傳態(tài)，北京的一方會(huì)對(duì)粒子A與C一起進(jìn)行了一種特殊的測(cè)量，稱為貝爾測(cè)量。
貝爾測(cè)量對(duì)普通人來(lái)說(shuō)是比較難以理解的，我們無(wú)需知道其細(xì)節(jié)，只需要知道，測(cè)量結(jié)果雖然包含一些信息，比如關(guān)于粒子的自旋或速度等信息，但不能告訴粒子C原來(lái)處于什么狀態(tài)。此外，這種測(cè)量會(huì)影響粒子C原來(lái)的狀態(tài)，并使粒子A和粒子B不再互為糾纏，但粒子A與C卻糾纏在一起了。
上海的粒子B會(huì)因此發(fā)生相應(yīng)的改變，當(dāng)前的狀態(tài)應(yīng)該與粒子C原來(lái)的狀態(tài)存在一定的聯(lián)系。上海的一方應(yīng)用正確的操作，就可以把粒子B的狀態(tài)變成粒子C原來(lái)的狀態(tài)。
但是，上海的一方需要應(yīng)用什么操作來(lái)完成量子隱形傳態(tài)呢？他可以從北京所進(jìn)行的貝爾測(cè)量結(jié)果中推斷出這一點(diǎn)。北京的一方必須用一些經(jīng)典的信息傳遞方式把這個(gè)結(jié)果傳達(dá)給上海——電子郵件、電話、信鴿以及其他任何可行的通信方式。一旦得到了測(cè)量結(jié)果，上海的一方就知道如何對(duì)粒子B進(jìn)行操作，來(lái)把它的狀態(tài)變成粒子C原來(lái)的狀態(tài)。
究竟超光速了嗎？
許多人認(rèn)為，量子隱形傳態(tài)是一種新的信息傳輸方式，通過(guò)這種方式可以使信息傳播速度超越光速，我們可以跟離地球500萬(wàn)光年之外的星球即時(shí)通話。這是完全錯(cuò)誤的！通過(guò)測(cè)量讓各個(gè)粒子的狀態(tài)確實(shí)可以瞬間改變，但這并不能傳遞信息。要想有效傳遞信息，仍然必須要通過(guò)經(jīng)典的通信，而經(jīng)典通信不能超過(guò)光速。
量子隱形傳態(tài)是將一個(gè)粒子的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相同種類的粒子上，同時(shí)擦除原始粒子的狀態(tài)。這與真正的瞬間傳送的區(qū)別在于：量子隱形傳態(tài)并沒(méi)有發(fā)生真正的傳送，沒(méi)有傳送任何物理實(shí)體，它只是把一個(gè)粒子狀態(tài)的“信息”借助量子糾纏傳送出去了，而且從始至終我們都不知道這個(gè)信息的具體內(nèi)容。
將來(lái)能傳送人嗎？
為了成功地瞬間傳送一個(gè)物體，傳送裝置必須精確復(fù)制每個(gè)粒子的狀態(tài)。如果沒(méi)有，傳輸?shù)陌姹緯?huì)有細(xì)微的不同。例如，喜氣洋洋的你可能傳送完之后，會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)唉聲嘆氣的你，或者更糟的是，你可能會(huì)變成一堆灰塵。
然而，即使我們能夠精確復(fù)制每個(gè)粒子的狀態(tài)，也不可能在不改變粒子原來(lái)狀態(tài)的情況下，獲悉粒子精確的狀態(tài)。因?yàn)閺?fù)制的前提是對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量，而根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，測(cè)量一般會(huì)改變?cè)摿Ｗ拥牧孔訝顟B(tài)。這意味著，你不可能制造出一個(gè)完美的粒子復(fù)制品，并且不破壞原來(lái)的粒子狀態(tài)。這個(gè)結(jié)論被稱為“不可克隆原理”，物理學(xué)家在20世紀(jì)80年代在理論上證明了這一點(diǎn)。
在量子隱形傳態(tài)中，粒子C原來(lái)的狀態(tài)被摧毀了，然后粒子B會(huì)變?yōu)榕c粒子C原來(lái)狀態(tài)完全一樣的粒子，因此，這個(gè)過(guò)程也同樣遵循了不可克隆原理。也就是說(shuō)，假設(shè)在未來(lái)，人們可以借助量子隱形傳態(tài)傳送更為復(fù)雜的物體，甚至能傳送人，但這種技術(shù)都會(huì)破壞掉原來(lái)的物體或人。例如，把你從北京傳送到上海，那么會(huì)首先在北京把你摧毀掉，然后在上海那里復(fù)制出一個(gè)你。真正的你已經(jīng)死了，活著的只是你的一個(gè)復(fù)制品，所以在未來(lái)哪位瘋狂科學(xué)家邀請(qǐng)你體驗(yàn)量子隱形傳態(tài)，可千萬(wàn)別去嘗試。
耗時(shí)耗電的瞬間傳送
即使不考慮你會(huì)被傳送裝置殺死的問(wèn)題，傳送裝置所消耗的時(shí)間和能量也是驚人的。人體包含大約7×1027個(gè)原子。想象一下傳送裝置可以每秒處理一萬(wàn)億個(gè)原子，掃描整個(gè)人仍然需要7×1015秒，也就是大約2億年！傳輸大量的數(shù)據(jù)需要大量的電能，保守估計(jì)大約是1018千兆瓦時(shí)。中國(guó)在2017年總發(fā)電量為6.5萬(wàn)億千瓦時(shí)，這意味著傳送一個(gè)人需要的電能相當(dāng)于中國(guó)所有發(fā)電站持續(xù)發(fā)電超過(guò)15萬(wàn)年。
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