如何通俗地理解「量子传输」，原理是什么，有何依据？ 第1页

2017年6月15日，Science杂志头版刊登出了关于中国的量子卫星“墨子号”的好消息，那就是“墨子号”首次量子纠缠的传输距离记录提高到了上千公里。当我初次看到这条消息的时候，不知为何，我的关注点居然是在这颗卫星的名字上。墨子号？这不会是在向《三体》致敬吧？我发了条朋友圈后才发现我不是一个人，还有其他的同学也首先想到了《三体》。

“墨子号”这个名字是否是为了向《三体》致敬，我们不得而知。但是在《三体》中，刘慈欣的确使用了量子纠缠这一概念：三体人建造了“智子”送到了地球，并利用量子通讯通过“智子”与地球上的叛军进行事实交流。所以，当该新闻出来后，不少三体粉丝纷纷发文称“智子”通讯方式找到了现实依据。但是在这里，我要给这些三体粉丝泼盆冷水——那就是《三体》中对于量子通讯的理解在科学上来说是不正确的，而且三体中的远距离瞬间通讯方式是永远不可能实现的。

首先，我要说我非常敬佩刘慈欣，他是一位非常杰出的科幻作家，《三体》是我心目中最棒的科幻小说——它蕴含了科学、历史、人性和宗教等等多方面的深刻的思想。科学上给我印象最深的莫过于将几百米长的碳纳米管两端横架在巴拿马运河之上，利用碳纳米管的高强度斩断叛军的轮船；当时我就惊叹大刘出色的科学素养和想象力。但是对于量子通讯这方面，大刘应该是基于剧情需要所以才这样创作的——实际上，这样的瞬间量子通讯从理论上是不可能实现的。今日，不少人对于量子通讯的理解是错误的——他们认为量子通讯可以实现信息的超光速传播。所以我觉得我今天很有必要给大家介绍一下量子通讯。

量子通讯的基础是量子纠缠。而量子纠缠起源于EPR佯谬——EPR佯谬是爱因斯坦、波多尔斯基和罗森三人提出，他们发表了一篇题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗？》的论文。在这篇论文中，他们设计了一个思想实验：假设两个粒子纠缠在了一起，然后基于貌似合理的假设——定域实在论，即将两个纠缠在一起的粒子分开到无穷远后，对一个粒子单独产生作用不会影响另一个粒子的状态；通过这一假设加上一些数学上的推导，他们最终证明量子力学的描述是不完备的，是存在瑕疵的。随后量子力学哥本哈根学派创立人玻尔撰文进行了反驳，他指出这个“定域实在论”假设是不正确的：哪怕两个纠缠的粒子分开到了无穷远，对一个粒子的作用依旧会影响到另一个粒子的状态。直到爱因斯坦逝世前，他们依旧谁也无法说服谁。在爱因斯坦逝世10年后，物理学家贝尔提出了贝尔不等式；该不等式可以从实验上进行验证究竟谁是对的。贝尔的初衷是想证明爱因斯坦是正确的——因为他支持爱因斯坦；但是最终的各种实验结果表明，玻尔才是正确的。也就是说，两个粒子一旦纠缠到了一起，无论将它们分开多远，它们之间永远都是关联的；确定一个粒子的状态，另一个粒子的状态也会瞬间被确定。

可能这时候有人会说，这不就相当于瞬间传输了信息了吗？假设情侣A和B有一对纠缠的定情信物（粒子AA和BB），然后A留一个，给B一个，A和B相隔有4光年远（地球和三体星的距离）；当A想对B说话时，就把话说给AA听，那么B可以从BB那里得到消息吗？答案是否定的。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，信息的传输速度不可能超过光速。超光速是可能发生的，但是不可以携带任何的信息。

一个超光速的例子就是，假设我有一束超强的激光从地球照射到了月球表面，那么我在地球端将激光移动一个小角度，在月球上的光斑的移动速度就可以超过光速。但是这个超过光速没有携带信息，因为信息是我在地球上移动了光斑，这个信息是以光速传播到月球上的，也就是说我在地球上移动光斑后1.3秒（光从地球传输到月球的时间），月球上的光斑才会以超光速开始移动。另一个超光速的例子是相速度——相速度是可以超越光速的，但是也不携带信息；携带信息的群速度是不可能超过光速的。

那么如果A想通过AA对B传输信息，具体步骤是怎样的呢？就是A要对AA进行测量获得一些经典信息；AA发生了改变，BB也发生了改变，BB现在在B的手上，这是一个量子的信息；现在A要将经典信息告诉B，这时候传输经典信息的速度被光速所限制；B拿到了经典信息后，与量子信息结合在一起，就能重现A想传达的信息了。所以，虽然量子纠缠是瞬时过程，量子通讯依然不能超过光速。

可能有人会问，那么A直接想想传输的信息通过经典信息全告诉B，不就可以省下很多麻烦事了吗？量子通讯的优势何在呢？优势在于防窃听。经典的通讯是没法察觉窃听的。而量子通讯则不同：因为窃听也是一种测量，会对量子体系有作用，量子通讯是可以察觉到窃听的存在的；此外，就算有人窃听，因为窃听人不拥有纠缠的粒子，所以哪怕窃听了也是无法获取信息的。