班子辰

上文的“量子隱形傳態(tài)”提到量子糾纏和瞬間傳送，在本文中，我們就來詳細談談這兩個問題。

什么是量子糾纏？

量子糾纏概念是在愛因斯坦和玻爾之間進行的著名論戰(zhàn)中產(chǎn)生的。愛因斯坦是量子力學的奠基人之一，光子這個概念就是他在20世紀初首先提出的。20世紀20年代，量子力學迎來了革命性的發(fā)展，以丹麥物理學家玻爾、德國物理學家海森堡等人領導的哥本哈根學派，認為粒子的狀態(tài)在測量之前是不確定的，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)”。只有當我們?nèi)y量粒子到底處于什么狀態(tài)時，粒子才會隨機地進入某一個確定的狀態(tài)。

愛因斯坦卻認為粒子的狀態(tài)從始至終都應該是確定的，只不過當前的量子力學還不完善，并表示“上帝不擲骰子”。所以，多年來，愛因斯坦一直不斷對量子力學發(fā)起挑戰(zhàn)，辯論的對手則是他的好友玻爾。愛因斯坦發(fā)起的最后一次也是最為厲害的挑戰(zhàn)，發(fā)生在1935年。當時，愛因斯坦和他的兩位同事共同撰寫了一篇論文，證明了當前的量子力學是有問題的，因為量子力學可以推導出一個看似不可能結(jié)論：兩個粒子經(jīng)過短暫的彼此相互作用之后，測量其中一個粒子的狀態(tài)會不可避免地瞬間影響到另一個粒子的狀態(tài)，而不管它們之間相隔有多遠。這種現(xiàn)象在后來被稱為量子糾纏。愛因斯坦認為，粒子之間的瞬間影響是不可能的，因為狹義相對論已經(jīng)對物體之間傳遞的信息速度設定了限制——不可超過光速。

然而，實驗反復證明了量子糾纏確實存在。對于許多外行來說，這聽起來好像量子糾纏可以把想要發(fā)送的消息從一個地方瞬間傳到另一個地方，來實現(xiàn)超光速通信，但事實并非如此。對處于糾纏中的一個粒子進行測量，其測量的結(jié)果是完全隨機的，你是無法控制的，而且進行完測量后，兩個粒子的糾纏狀態(tài)就被破壞掉了。所以，你無法利用量子糾纏來實現(xiàn)超光速通信。

如何實現(xiàn)瞬間傳遞？

那么，量子糾纏是怎么實現(xiàn)瞬間傳送的呢？1993年，在加拿大蒙特利爾的一個研討會上，一些物理學家提出，量子糾纏雖然無法實現(xiàn)超光速通信，但可以借助它把一個粒子的狀態(tài)瞬間傳送給了另一個種類相同的粒子身上，使得另一個粒子表現(xiàn)得跟第一個粒子一樣，前提是沒有人知曉所傳送的這個狀態(tài)究竟是什么。

這種瞬間傳送并不會傳送任何物質(zhì)或能量，只是傳送了某種“不為人知”的狀態(tài)，所以，這種技術通常被稱為“量子隱形傳態(tài)”。下面，我們就來了解一下實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的大致步驟。

量子隱形傳態(tài)需要使用三個粒子，涉及到兩個地點。首先將粒子A和粒子B糾纏在一起，以建立傳送通道。假設粒子A位于北京，而粒子B被發(fā)送到另一個地點，比如上海。北京那里還有一個粒子C，與粒子B的種類相同。粒子C的狀態(tài)就是所要進行傳送的狀態(tài)，但沒人知曉這個狀態(tài)究竟是什么。

為了進行量子隱形傳態(tài)，北京的一方會對粒子A與C一起進行了一種特殊的測量，稱為貝爾測量。

貝爾測量對普通人來說是比較難以理解的，我們無需知道其細節(jié)，只需要知道，測量結(jié)果雖然包含一些信息，比如關于粒子的自旋或速度等信息，但不能告訴粒子C原來處于什么狀態(tài)。此外，這種測量會影響粒子C原來的狀態(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會因此發(fā)生相應的改變，當前的狀態(tài)應該與粒子C原來的狀態(tài)存在一定的聯(lián)系。上海的一方應用正確的操作，就可以把粒子B的狀態(tài)變成粒子C原來的狀態(tài)。

但是，上海的一方需要應用什么操作來完成量子隱形傳態(tài)呢？他可以從北京所進行的貝爾測量結(jié)果中推斷出這一點。北京的一方必須用一些經(jīng)典的信息傳遞方式把這個結(jié)果傳達給上海——電子郵件、電話、信鴿以及其他任何可行的通信方式。一旦得到了測量結(jié)果，上海的一方就知道如何對粒子B進行操作，來把它的狀態(tài)變成粒子C原來的狀態(tài)。

究竟超光速了嗎？

許多人認為，量子隱形傳態(tài)是一種新的信息傳輸方式，通過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500萬光年之外的星球即時通話。這是完全錯誤的！通過測量讓各個粒子的狀態(tài)確實可以瞬間改變，但這并不能傳遞信息。要想有效傳遞信息，仍然必須要通過經(jīng)典的通信，而經(jīng)典通信不能超過光速。

量子隱形傳態(tài)是將一個粒子的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個相同種類的粒子上，同時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)并沒有發(fā)生真正的傳送，沒有傳送任何物理實體，它只是把一個粒子狀態(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信息的具體內(nèi)容。

將來能傳送人嗎？

為了成功地瞬間傳送一個物體，傳送裝置必須精確復制每個粒子的狀態(tài)。如果沒有，傳輸?shù)陌姹緯屑毼⒌牟煌?。例如，喜氣洋洋的你可能傳送完之后，會變?yōu)橐粋€唉聲嘆氣的你，或者更糟的是，你可能會變成一堆灰塵。

然而，即使我們能夠精確復制每個粒子的狀態(tài)，也不可能在不改變粒子原來狀態(tài)的情況下，獲悉粒子精確的狀態(tài)。因為復制的前提是對粒子進行測量，而根據(jù)海森堡測不準原理，測量一般會改變該粒子的量子狀態(tài)。這意味著，你不可能制造出一個完美的粒子復制品，并且不破壞原來的粒子狀態(tài)。這個結(jié)論被稱為“不可克隆原理”，物理學家在20世紀80年代在理論上證明了這一點。

在量子隱形傳態(tài)中，粒子C原來的狀態(tài)被摧毀了，然后粒子B會變?yōu)榕c粒子C原來狀態(tài)完全一樣的粒子，因此，這個過程也同樣遵循了不可克隆原理。也就是說，假設在未來，人們可以借助量子隱形傳態(tài)傳送更為復雜的物體，甚至能傳送人，但這種技術都會破壞掉原來的物體或人。例如，把你從北京傳送到上海，那么會首先在北京把你摧毀掉，然后在上海那里復制出一個你。真正的你已經(jīng)死了，活著的只是你的一個復制品，所以在未來哪位瘋狂科學家邀請你體驗量子隱形傳態(tài)，可千萬別去嘗試。