太陽帆探訪遙遠的行星或恒星系統(tǒng)的概念圖。
雖然量子糾纏這種“幽靈般的超距作用”的確存在，但我們卻無法利用它來實現(xiàn)星際超光速通信。
幾個月前，億萬富翁尤里·米爾納(Yuri Milner)和天體物理學家斯蒂芬·霍金共同宣布了“突破攝星”(Breakthrough Starshot)計劃，這個極富雄心的計劃要把第一艘人造宇宙飛船發(fā)射到銀河系的另一個恒星系統(tǒng)。雖然用一個巨大的激光陣列將一個質(zhì)量很小、僅有微型芯片大小的宇宙飛船以20%光速發(fā)射到另一個星球是可行的，但是我們還不清楚像這樣一個動力不足的小設備如何能跨越巨大的星際空間與地球通信。有人提出了這樣的設想：或許可以用量子糾纏來通信?
那么量子糾纏到底是什么呢?
想象你有兩枚硬幣，每一枚都有不同的正面或背面，你拿著一枚我拿著一枚，我們彼此距離非常遠。我們在空中拋擲它們，接住，拍在桌子上。當我們拿開手查看結(jié)果時，我們預期各自看到“正面”的概率是50%，各自得到“背面”的概率也是50%。在普通的非糾纏宇宙中，你的結(jié)果和我的結(jié)果完全相互獨立：如果你得到了一個“正面”結(jié)果，我的硬幣顯示為“正面”或“背面”的概率仍然各為50%，但是在某些情況下，這些結(jié)果會相互糾纏，也就是說，如果我們做這個實驗，而你得到了“正面”結(jié)果，那么不用我來告訴你，你就會瞬間100%肯定我的硬幣會顯示為“背面”，即使我們相隔數(shù)光年而連1秒鐘都還沒有過去。
在量子物理中，我們通常糾纏的不是硬幣而是單個的粒子，例如電子或光子等。例如，每個光子自旋+1或-1，如果兩個光子互相糾纏，你測量它們中一個的自旋，就能瞬間知道另外一個的自旋，即使它跨過了半個宇宙。在你測量任一個粒子的自旋前，它們都以不確定狀態(tài)存在;但是一旦你測量了其中一個，兩者就都立刻知曉了。我們已經(jīng)在地球上做了一個實驗，實驗中我們將兩個糾纏光子分開很多千米，在數(shù)納秒的間隔內(nèi)測量它們的自旋。我們發(fā)現(xiàn)，如果測量發(fā)現(xiàn)它們其中一個自旋是+1，我們知曉另一個是-1的速度至少比以光速進行通信快10000倍。
創(chuàng)造兩個互相糾纏的光子以后，哪怕將它們分開很遠，我們也可以通過測量其中一個的狀態(tài)來得知關于另一個的信息。圖片來源：Melissa Meister
現(xiàn)在回到文章開頭的問題：我們可以利用量子糾纏的該特性實現(xiàn)與遙遠恒星系統(tǒng)的通信嗎?回答是肯定的，如果你認為從遙遠的地方進行測量也算是一種“通信”的話。但是，一般我們所說的“通信”，通常是想要知道你的目標的情況。例如，你可以讓一個糾纏粒子保持著不確定狀態(tài)，搭載上前往最近恒星的宇宙飛船上，然后命令飛船在那個恒星的宜居帶尋找?guī)r石行星的蹤跡。如果找到了，就進行一次測量使所攜帶的粒子處于+1態(tài)，如果沒有找到，就進行一次測量使所攜帶的粒子處于-1態(tài)。
因此，你推測，當飛船進行測量時，如果留在地球上的粒子呈現(xiàn)為-1態(tài)，你就知道宇宙飛船在宜居帶發(fā)現(xiàn)了一顆巖石行星;留在地球上的粒子會呈現(xiàn)為+1態(tài)，就告訴你宇宙飛船還沒有發(fā)現(xiàn)行星。如果你知道飛船已經(jīng)進行了測量，你應該可以自己測量留在地球上的粒子，并立即知道另一個粒子的狀態(tài)，即使它遠在許多光年外。
這是一個聰明的計劃，但是有一個問題：只有你詢問一個粒子“你處于什么狀態(tài)?”(也就是說測量)時糾纏才起作用，但如果你對一個糾纏態(tài)粒子實施測量，迫使它成為一個特定的狀態(tài)，你就破壞了糾纏，你在地球上做的測量與在遙遠恒星旁做的測量就完全不相關了。如果在遠處進行一次測量，讓粒子的狀態(tài)為+1，當然在地球上測量出結(jié)果就是-1，從而告訴你遠在數(shù)光年外的粒子的信息。但你不可能在測量的過程中不破壞糾纏，而一旦糾纏被破壞，那就意味著，不管結(jié)果如何，你在地球上的粒子為+1或-1的概率都是50%，和若干光年外的粒子再沒有關系。
這是量子物理最令人困惑的一點：當你知道系統(tǒng)完整狀態(tài)，并對系統(tǒng)的其余部分進行測量時，可以通過糾纏獲取系統(tǒng)某一個部分的信息，但是不能從糾纏系統(tǒng)的某個部分創(chuàng)建并發(fā)送信息到另一部分。盡管這個想法很聰明，但超光速通信依然是不可能實現(xiàn)的。
量子糾纏是一種美妙的性質(zhì)，我們可以將其用于許多方面，例如終極密鑰安全系統(tǒng)，但是超光速通信是不可能實現(xiàn)的。要理解為什么，就需要理解量子物理的關鍵特性：只要你迫使糾纏系統(tǒng)的一部分坍縮為一個特定狀態(tài)，你就無法通過測量系統(tǒng)的其它部分得到信息。正如量子力學先驅(qū)尼爾斯·玻爾曾經(jīng)說過的那句名言：
如果量子力學沒有震撼到你，一定是因為你還沒有理解它。
宇宙一直在和我們擲骰子，這使愛因斯坦十分懊惱，而且即使我們盡最大努力在游戲中作弊，最終也會被自然本身挫敗。量子物理定律就是保持著這么完美的一致性——如果體育比賽裁判們的判罰標準也這么一致就好了。
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