王汰非

（1.國(guó)際科學(xué)研究院北京智能分院量子信息研究所，北京 100085；2.北京智能技術(shù)科學(xué)研究院籌信息檢測(cè)中心，北京 100085）

0 引言

量子糾纏在量子信息與通信中起到重要作用 。目前對(duì)量子糾纏與量子通信系統(tǒng)相互作用的研究，宇宙量子關(guān)聯(lián)普遍聯(lián)系等動(dòng)力學(xué)規(guī)律尚不清晰。由量子信息、隱形傳態(tài)與實(shí)驗(yàn)研究[1-8]，提出量子通信動(dòng)力學(xué)守恒定理、弱電磁相互作用與廣義測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。研究量子糾纏與量子通信隱形傳態(tài)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，給出弱電磁作用與傳遞介子計(jì)算分析，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)及量子通信擬合。計(jì)算表明，電子量子通信力程上限與太陽(yáng)系空間尺度相當(dāng)，光子量子通信力程上限可達(dá)到宇宙尺度，預(yù)言了量子信息與通信具有物理維度及宇宙互聯(lián)網(wǎng)的可行性。宇聯(lián)網(wǎng)無(wú)線連接系統(tǒng)，將天體星系演化過(guò)程發(fā)出的各種射線與輻射等轉(zhuǎn)化為宇宙信息，傳輸?shù)降厍蚧ヂ?lián)網(wǎng)，人類(lèi)可直接觀賞宇宙演化的自然奇觀，直觀研究宇宙發(fā)展規(guī)律。探索開(kāi)發(fā)空間資源能源、地外生存環(huán)境及太空旅游移民等，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。量子通信動(dòng)力學(xué)為量子技術(shù)、信息與通信系統(tǒng)發(fā)展及宇宙量子關(guān)聯(lián)普遍聯(lián)系，提供動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)與可靠地科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 量子通信動(dòng)力學(xué)守恒與系統(tǒng)相互作用及分析

對(duì)量子糾纏、量子信息與量子通信理論與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)邏輯分析演繹，提出量子通信動(dòng)力學(xué)守恒定理、系統(tǒng)相互作用與傳遞介子理論，給出動(dòng)力學(xué)計(jì)算及分析。

定義：量子通信相互作用的電子（光子）之間具有傳遞介子弱電磁相互作用，遵從動(dòng)力學(xué)規(guī)律。介子速度為光速或真實(shí)的超光速運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成量子通信電子（光子）之間相互感應(yīng)關(guān)聯(lián)的相對(duì)絕對(duì)同時(shí)性，遵從系統(tǒng)動(dòng)量守恒。

量子通信系統(tǒng)相互作用：遠(yuǎn)程量子場(chǎng)兩電子（或多電子）或兩光子（或多光子）之間的量子通信，為相互作用的粒子低光速或光速運(yùn)動(dòng)，傳遞介子的光速或超光速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生遠(yuǎn)程弱電磁相互作用，遵從動(dòng)力學(xué)守恒。

量子通信動(dòng)力學(xué)守恒定理：遠(yuǎn)程量子場(chǎng)量子通信（糾纏）系統(tǒng)相互作用動(dòng)力學(xué)守恒，遵從守恒關(guān)系。

系統(tǒng)動(dòng)量守恒：mc=uv，mυ=uc，式中m為量子通信相互作用粒子（電子或光子）質(zhì)量，u為介子質(zhì)量（u＜m）,υ為相互作用粒子速度（υ≤c），v為介子速度（c≤v），c為光速（特征速度）。

系統(tǒng)動(dòng)力矩守恒：uru=mrc=h/c，ucru=mcrc=h，uc2ru=mc2rc=hc，式中m，u為量子通信相互作用粒子與介子質(zhì)量，rc，ru為相互作用粒子與介子的康普頓尺度。

系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度守恒：量子通信相互作用的粒子為低光速或光速運(yùn)動(dòng)，傳遞介子為光速或超光速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，遵從對(duì)稱(chēng)速度：υv=c2，式中υ，v為系統(tǒng)粒子運(yùn)動(dòng)速度與（介子）傳遞速度（υ≤c，c≤v)，光速c為特征速度。對(duì)稱(chēng)速度導(dǎo)證參閱文獻(xiàn)[9]。

量子通信傳遞介子質(zhì)量：u=mυ/c=mc/v，式中m，u為相互作用粒子質(zhì)量與介子質(zhì)量，υ，v為相互作用粒子運(yùn)動(dòng)速度與介子傳遞速度（υ≤c，c≤v)，滿(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)量守恒。稱(chēng)電子量子通信傳遞介子為L(zhǎng)介子。

光子靜止質(zhì)量m0=0，速度υ=c，量子通信光子傳遞介子速度v≥c，由于光子靜止質(zhì)量為零，傳遞介子質(zhì)量u≤m0，稱(chēng)光子量子通信傳遞介子為G介子。理論、實(shí)驗(yàn)與量子通信表明，系統(tǒng)電子或光子量子通信通過(guò)交換L介子或G介子，產(chǎn)生遠(yuǎn)程弱電磁相互作用，遵從動(dòng)力學(xué)守恒。

統(tǒng)一基本力定律：統(tǒng)一場(chǎng)任何二全同粒子體系之間相互作用具有統(tǒng)一基本力。

數(shù)學(xué)表述為：

式中Fi表示統(tǒng)一基本力，m1，m2，n1，n2分別為相互作用二全同體系粒子靜止質(zhì)量和粒子數(shù)，r為二體系之間相互作用的基本力力程，其中η=(?c)2/G=1.498 128×1041kg3m3s-2為統(tǒng)一基本力耦合常數(shù)(?,c,G分別為planck常數(shù)，光速與引力常數(shù))。

任何二粒子之間相互作用統(tǒng)一基本力：

式中Fi表示統(tǒng)一基本力，m1，m2為相互作用二粒子靜止質(zhì)量，r為二粒子之間相互作用的基本力力程，η為統(tǒng)一基本力耦合常數(shù)。

定律構(gòu)成弱電磁相互作用基礎(chǔ)，理論與公式導(dǎo)證及物理意義參閱文獻(xiàn)[10]。

2 廣義測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系

2.1 同時(shí)性的相對(duì)絕對(duì)性

廣義物理時(shí)空連續(xù)區(qū)量子通信相互作用粒子之間具有低光速、光速與超光速（傳輸）系統(tǒng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粒子之間的光速或超光速傳輸發(fā)生同時(shí)的相對(duì)絕對(duì)性，遵從系統(tǒng)相對(duì)論時(shí)空觀。粒子的一般量子態(tài)與量子隱形傳態(tài)具有瞬時(shí)傳輸性，由量子通信與隱形傳態(tài)的物理規(guī)律，引進(jìn)廣義測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系—測(cè)不準(zhǔn)與超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。

2.2 基本原理

2.2.1 廣義對(duì)稱(chēng)觀測(cè)原理

系統(tǒng)物質(zhì)整體過(guò)程的變化狀態(tài)及規(guī)律，具有可觀測(cè)與不可觀測(cè)的廣義對(duì)稱(chēng)性。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系具有可觀測(cè)性，超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系具有不可觀測(cè)性。物質(zhì)的可觀測(cè)與不可觀測(cè)的整體過(guò)程都是真實(shí)的物理實(shí)在。

2.2.2 廣義測(cè)不準(zhǔn)原理

在確定微觀粒子的每一個(gè)動(dòng)力學(xué)變量所能達(dá)到準(zhǔn)確度方面，存在廣義基本限度：A.B≥h/2，A.B≤h/2，式中A.B≥h/2 為測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，A.B≤h/2為超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系(瞬間態(tài)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系)，構(gòu)成量子隱形傳態(tài)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。A,B為兩個(gè)正則共軛動(dòng)力學(xué)變量，經(jīng)典力學(xué)兩個(gè)正則共軛動(dòng)力學(xué)變量之間都存在著廣義測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。證明參閱文獻(xiàn)[11]。

簡(jiǎn)要分析：量子力學(xué)中粒子波粒二象性對(duì)應(yīng)著測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，量子通信及隱形傳態(tài)對(duì)應(yīng)著超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。通常進(jìn)行的時(shí)空測(cè)量，存在著特定的確定界限，一旦超越了這個(gè)界限而進(jìn)入更小的瞬時(shí)時(shí)空，或者進(jìn)入遠(yuǎn)程瞬時(shí)時(shí)空，這種測(cè)量轉(zhuǎn)化為不可觀測(cè)性。不可觀測(cè)中粒子仍然具有真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。根據(jù)量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，任何可觀測(cè)過(guò)程遵從：ΔEΔt≥h。只要Δt極短（Δt=10-24s），使ΔEΔt≤h，不破壞測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，能量ΔE有較大的不確定性是允許的。出現(xiàn)能量偏離情況是在不可觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的，不破壞能量守恒定律。量子通信隱形傳態(tài)出現(xiàn)的介子為光速或真實(shí)超光速運(yùn)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中可以找到介子是個(gè)實(shí)粒子，因?yàn)樗谠剖抑酗w行留下了徑跡 。

計(jì)算電子廣義測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：令電子動(dòng)量p=meυ=10-26kg.m，電子康普頓尺度r=h/mec=10-12m，滿(mǎn)足測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系ΔpΔr≥h。量子通信電微子質(zhì)量[12]μ=3.812 148×10-53kg，電微子波長(zhǎng)λ=h/μc=5.797 923×1010m。根據(jù)天體與星系電磁輻射研究與量子通信（糾纏）傳輸距離計(jì)算分析，設(shè)電子量子通信(糾纏)力程與電微子波長(zhǎng)成正比，滿(mǎn)足超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系：ΔpΔr≤h，電子量子通信力程r≤rm（rm=5.797 923×1010m)。其中Δp=μc為電微子動(dòng)量（超測(cè)不準(zhǔn)量），電微子波長(zhǎng)構(gòu)成電子量子通信力程上限，遵從系統(tǒng)動(dòng)量守恒。量子通信系統(tǒng)質(zhì)量矩守恒：mere=uru=μrm，式中me，u，μ為分別量子通信電子質(zhì)量、介子質(zhì)量與電微子質(zhì)量，re，ru，rm分別為電子、介子與電微子康普頓尺度，其中為rm為量子通信力程上限，系統(tǒng)質(zhì)量矩守恒遵從動(dòng)力學(xué)守恒。電子量子通信相互作用力程r≤1011m。上限與太陽(yáng)系及恒星系范疇相當(dāng)，由此可建立星系量子通信互聯(lián)網(wǎng)，可在實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)中驗(yàn)證。

中國(guó)科技大學(xué)量子通信團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，在高損耗的地面成功傳輸100 公里，意味著在太空傳輸距離可以達(dá)到1000 公里以上，可解決遠(yuǎn)距信息傳輸問(wèn)題，以上傳輸距離在量子通信力程r≤1011m 范圍內(nèi)。

2.2.3 系統(tǒng)態(tài)迭加原理

對(duì)于一般的情況如果ψ1，ψ2，ψ3是系統(tǒng)整體可能狀態(tài)，那么線性迭加ψn=Z1ψ1+Z2ψ2+Z3ψ3，是系統(tǒng)整體迭加態(tài)。即測(cè)不準(zhǔn)態(tài)ψ1，超短程超測(cè)不準(zhǔn)態(tài)ψ2（時(shí)空量子隱形傳態(tài)），遠(yuǎn)程超測(cè)不準(zhǔn)態(tài)ψ3（量子通信遠(yuǎn)程隱形傳態(tài)）整體迭加態(tài)。Z1，Z2，Z3是復(fù)數(shù)。對(duì)于一般實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)具有系統(tǒng)整體迭加態(tài)，即測(cè)不準(zhǔn)、短程與遠(yuǎn)程超測(cè)不準(zhǔn)態(tài)。

3 應(yīng)用研究

3.1 四種基本力特征尺度

由統(tǒng)一基本力公式（2），計(jì)算四種基本力特征尺度。

強(qiáng)作用力特征尺度：Fh=3.718 5×1042N（m1,2=mz質(zhì)子靜止質(zhì)量，r=1.2×10-15m氫核半徑）；電磁作用力特征尺度：Fe=6.446 0×1039N（m1,2=me電子靜止質(zhì)量，r=a0玻爾半徑）；弱作用力特征尺度：Fu=3.511 1×1036N（m1=mz，m2=me分別為質(zhì)子和電子靜止質(zhì)量，r=a0玻爾半徑）；引力分化特征尺度：Fg=2.195 7×104N（m1,2=mp為planck質(zhì)量，r=1.2×10-15m氫核半徑）。統(tǒng)一基本力表征基本力的起源和統(tǒng)一性?；玖μ卣鞒叨缺碚魈幱谕瑯幼孕陀罘Q(chēng)態(tài)的基本粒子相互作用力的特征尺度，引力分化特征尺度表征極早期planck系統(tǒng)引力分化特征尺度。

以強(qiáng)相互作用力尺度為單位，將四種基本力尺度依次相比，得出四種相互作用強(qiáng)度理論確定值：1：（1.733 4×10-3）：（9.422 0×10-6）：（5.904 8×10-39）,即1:10-3:10-6:10-39。與用無(wú)量綱數(shù)表征的四種相互作用強(qiáng)度之比完全擬合。

3.2 量子通信特征尺度與系統(tǒng)相互作用計(jì)算及分析

光子量子通信特征尺度及分析：光子靜止質(zhì)量m0=0，速度υ=c，光子量子通信傳遞介子速度v≥c，由于光子靜止質(zhì)量為零，傳遞介子質(zhì)量u≤m0，滿(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)量守恒。下面討論m0=u，v=c特征形式。

特征形式及分析：由相對(duì)論光子無(wú)結(jié)構(gòu)，因此光子與傳遞介子質(zhì)量相等，為可觀測(cè)宇宙最小質(zhì)量。天文觀測(cè)宇宙質(zhì)量M=1.989×1052kg，宇宙質(zhì)量量子[12]μg=1.496 891×10-68kg，構(gòu)成光子特征質(zhì)量基礎(chǔ)，與有關(guān)報(bào)道日本科學(xué)家實(shí)驗(yàn)提出光子靜止質(zhì)量不為零擬合。光子特征波長(zhǎng)λg=h/μgc=1.476 563×1025m，滿(mǎn)足可觀測(cè)宇宙尺度。設(shè)光子量子通信力程與光子波長(zhǎng)成正比，滿(mǎn)足超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系:ΔpΔr≤h，光子量子通信力程上限r(nóng)≤1.476 563×1025m。其中Δp=μgc為光子動(dòng)量（超測(cè)不準(zhǔn)量），光子波長(zhǎng)構(gòu)成光子量子通信力程上限，遵從系統(tǒng)動(dòng)量守恒。光子量子通信(糾纏）相互作用力程r≤1025m，上限與宇宙范疇相當(dāng)，由此可建立宇宙互聯(lián)網(wǎng)，可在實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)中驗(yàn)證。

電子量子通信特征尺度及分析：電子質(zhì)量m=9.109 534×10-31kg，υ=2.2×106m.s-1，代入對(duì)稱(chēng)速度公式：υv=c2，得出量子通信傳遞速度上限vm=4.085 25×1010m.s-1。L介子質(zhì)量u=6.684 9×10-33kg，傳遞速度c≤v≤vm，傳遞力程r≤5.797 9×1010m。以上計(jì)算與中國(guó)科技大學(xué)量子通信組測(cè)試的量子糾纏的傳遞速度數(shù)量級(jí)較擬合。理論與計(jì)算表明，電子與光子量子通信通過(guò)交換介L(zhǎng)子與G介子，產(chǎn)生遠(yuǎn)程弱電磁相互作用。

由超統(tǒng)一基本力公式，計(jì)算電子量子通信弱電磁力。二電子之間的量子通信傳遞中，令m1=m2=me電子靜止質(zhì)量，傳遞最大距離rm=5.797 923×1010m，代入式（2）量子通信二電子之間弱電磁力（下限）Fi=3.113 7×10-3N。中國(guó)科技大學(xué)量子通信團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)可達(dá)到1 000 公里以上。令量子通信傳遞距離r=106m，式（2）得出量子通信二電子之間弱電磁力Fi=106N。

預(yù)測(cè)與計(jì)算質(zhì)子量子糾纏尺度。質(zhì)子靜止質(zhì)量m=10--27kg，速度υ=105m.s-1。量子糾纏兩質(zhì)子傳遞速度v=1011m.s-1，介子質(zhì)量uj=10-31kg，滿(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)量守恒。超測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系二質(zhì)子之間傳遞最大距離rm=103m，二質(zhì)子質(zhì)量與rm代入式（2）量子糾纏二質(zhì)子作用弱核力Fj=105N。應(yīng)用于觀測(cè)恒星黑洞（rs=103m）視界粒子，研究相同狀態(tài)的核心粒子規(guī)律，可在實(shí)驗(yàn)與天文觀測(cè)中驗(yàn)證。

3.3 宇宙量子關(guān)聯(lián)和宇宙互聯(lián)網(wǎng)研究

由熱爆炸宇宙論，宇宙奇性含有宇宙構(gòu)型及演化發(fā)展的全部信息。微波背景輻射是在宇宙大爆炸后發(fā)出，經(jīng)過(guò)宇宙年齡138 億年到達(dá)地球，微波背景輻射是最早的宇宙尺度的光子量子信息的傳輸，因此宇宙演化發(fā)展具有量子關(guān)聯(lián)普遍聯(lián)系。科學(xué)預(yù)測(cè)：量子信息與通信具有物理維度，對(duì)應(yīng)物質(zhì)時(shí)空維度。天文觀測(cè)的各種射線輻射等都是星系通過(guò)三維空間與過(guò)去時(shí)間發(fā)生的四維信息。量子通信發(fā)展趨勢(shì)為全息通信，即時(shí)空量子通信，時(shí)間間隔Δt=0的即時(shí)通信系統(tǒng)。滿(mǎn)足量子通信粒子之間感應(yīng)與傳輸間隔Δt=0 即時(shí)同步性。需要量子力學(xué)時(shí)空量子性與時(shí)空量子信息與通信技術(shù)[11]的系統(tǒng)發(fā)展。

如果試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量m=10-35kg的亞電子，作為量子通信相互作用粒子，傳輸力程對(duì)應(yīng)星系尺度1020m，同理質(zhì)量m=10-37kg的亞電子，傳輸力程對(duì)應(yīng)宇宙尺度1025m，由此開(kāi)發(fā)宇宙互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

按照宇宙速度設(shè)計(jì)四種宇聯(lián)網(wǎng)形式：第一宇聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星速度υ=7.9×103m.s-1圍繞地球運(yùn)行，第二宇聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星速1.12×104m.s-1圍繞太陽(yáng)系運(yùn)行，第三宇聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星速度υ=1.68×104ms-1圍繞銀河系運(yùn)行。第四宇聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星速度υ=c圍繞總星系運(yùn)行。我國(guó)發(fā)射的量子通訊衛(wèi)星與空間站開(kāi)辟了宇聯(lián)網(wǎng)前沿，建立宇聯(lián)網(wǎng)空間站無(wú)線連接與信息轉(zhuǎn)化傳輸服務(wù)系統(tǒng)，將星系演化發(fā)展過(guò)程發(fā)出的各種射線與輻射轉(zhuǎn)化為宇宙信息，傳輸?shù)降厍蚧ヂ?lián)網(wǎng)。直接觀賞星系輻射、超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)爆炸、宇宙線與各種射線和宇宙膨脹演化奇觀，直觀研究宇宙演化發(fā)展規(guī)律,探索太空資源能源、地外生存空間等。

結(jié)論：宇宙具有量子關(guān)聯(lián)的普遍聯(lián)系，按照確定的量子關(guān)聯(lián)系統(tǒng)規(guī)律演化及發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

研究了量子通信動(dòng)力學(xué)守恒與弱電磁相互作用系統(tǒng)規(guī)律，預(yù)言了宇宙互聯(lián)網(wǎng)的可行性，探索了宇宙量子關(guān)聯(lián)的普遍聯(lián)系。推進(jìn)人類(lèi)步入宇宙互聯(lián)網(wǎng)信息科技時(shí)代，探索開(kāi)發(fā)太空資源能源與地外生存環(huán)境，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。