被誤解的量子通信!量子糾纏超光速1萬倍,卻不能用來通信?

量子力學這個名字如今已經是婦孺皆知了。但是很多人可能并不知道量子力學是什麼?

我們經常會聽到量子糾纏,電子的雙縫干涉實驗引起的測量坍縮,甚至將這種坍縮引申到意識層面,試圖用量子力學詮釋唯心主義。

事實上,這是對量子力學的誤讀造成的。

我們都知道,我們的宇宙分為巨觀世界和微觀世界。

巨觀世界十分容易理解,就是我們日常所處的地球表面,太陽系,銀河系以及[大尺度]宇宙結構。

而微觀世界就是人類肉眼甚至是普通顯微鏡都無法看到的世界。

在量子力學中,微觀世界指的是比原子更小的物質尺度的世界。

當科學家第一次用探測器觀察到微觀世界時,對這里的規律還全然不知,所以肯定會用早已成熟的牛頓力學套用到微觀世界里。

比如會認為電子繞原子核運動一定遵守牛頓三大定律,所以電子一定是圓周運動。

當我們對電子的運動觀察地更為深入時,卻發現這里的一切都表現地十分陌生,甚至完全不遵守牛頓力學的法則。

于是我們只能重新發明一套量化工具描述電子的運動。

這種新發明的物理工具就是量子力學。

量子力學最神奇的一個現象就是量子糾纏。

在微觀世界,一旦多個粒子的量子狀態相互纏繞,即便將它們分離多麼遙遠,它們依舊可以相互影響。

在理論上,這種影響的速度不僅遠超光速,甚至都沒有速度的概念。

雖然在理論上,我們知道量子糾纏是沒有速度概念的,無論多麼遙遠都是同時作用的。測量其中一個粒子,哪怕另一個粒子在100億光年外的其他星系上,它們都會同時感應到。

理論歸理論,實驗還是要做的,起碼要用實驗證明量子糾纏的速度到底有多快。

潘建偉教授曾經在青海就搭建了一個測量粒子糾纏速度的實驗。

由于實驗的規模限制,最后只能測量出量子糾纏的速度是光速的1萬倍。

但這并不是說明量子糾纏只有光速的1萬倍,而是因為實驗條件的限制,只能做到這個量級。如果以后實驗條件允許,我們可以做量子糾纏超光速1億倍,1兆倍的實驗。

可能這時候就有人疑惑了。相對論不是認為光速是宇宙中最快的速度,為什麼量子糾纏可以輕易超過光速,這豈不是違背相對論了?

其實,量子糾纏的超光速和相對論的光速并不是同一概念。

相對論的光速是指不能把一個物體加速到光速,要注意限定詞是物體。也就是說物質的運動速度不能超過光速。

而量子糾纏之間相互影響的速度并不是物質運動的速度,這是一種微觀世界特有的現象,這種速度不受相對論的光速極限原理的限制。

目前,人類用到最快的通信方式就是電磁波,電磁波也是光,并且以光速運動。

所以人類最快的通信方式就是光速。

既然量子糾纏可以超過光速,為什麼不能用來制造超光速通信呢!這樣就可以消除與火星探測器,旅行者一號等星際探測器的通信時差了。

首先我們要明白電磁波的通信原理,就會明白為什麼量子糾纏不能用來通信。

我們知道電磁波有無數個頻率段。

我們可以截取其中一小段頻率段,將其繼續細分,就又可以得到無數個頻率段。

在無數個頻段中,我們可以將其對應到二進制代碼中。

每個頻段代表一個二進制字符。無數個頻段就可以代表無數個代碼。然后接收器接收到的波段可以將其中的頻率一一解讀,這樣就可以解讀信息了。

事實上,電磁波的信息載體是光子,光子是物質。

而量子糾纏之間不存在類似光子這樣的粒子作為傳播信息的載體。所以量子糾纏無法傳遞信息。

那量子通信又是什麼?

量子通信并不是直接通過量子糾纏傳遞信息,而是因為量子糾纏具有測量坍縮的特點,通過這一特點對信息進行理論上絕對安全的加密。

我們知道,量子糾纏處于疊加狀態,一旦有人觀察這種疊加狀態,就會導致量子糾纏態坍縮。

如果我們在電磁波信息里夾雜一些量子糾纏態的粒子,那麼一旦竊密者要竊聽信息,首先就會觸髮量子糾纏態坍塌,那麼這種坍塌在發送者那里就能同時出現,這時候發送者就會得知信息正在被竊聽,于是就放棄發送信息,從而做到電磁波信息的絕對安全。

同時竊聽者的位置會被暴露,剩下的事交給執法部門就行了。

另外有人還疑惑,既然量子糾纏可以同時作用。測量一個粒子的狀態可以引發另一個粒子的變化。那能否通過這種變化刻錄有效的信息呢?

比如測量糾纏粒子時,如果A糾纏粒子自旋為上,那麼另一個B糾纏粒子自旋就為下。

那麼上下兩種自旋狀態就可以表示二進制的0和1。通過控制糾纏粒子的自旋方向傳遞0和1的代碼。

事實上,這樣的想法固然是對的。關鍵是測量引起的自旋方向坍塌是隨機的。我們無法控制糾纏粒子的自旋方向。在測量時,沒有人知道這種隨機的自旋結果到底是上還是下。所以就無法真正刻錄有效的信息,于是量子糾纏是無法傳遞信息的。


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