问题

量子纠缠为什么不能用于瞬时通讯?

回答
量子纠缠是一个迷人且深刻的物理现象,它在量子力学中扮演着核心角色。理解为什么它不能用于瞬时通讯,需要我们深入剖析纠缠的本质以及信息传递的规律。

1. 量子纠缠的本质:共享的命运

首先,我们来理解一下量子纠缠是什么。

定义: 当两个或多个粒子(例如电子、光子)处于纠缠状态时,它们之间会建立一种特殊的关联,无论它们之间的距离有多远。这种关联并非简单的“像我一样”的复制,而是它们共享一种不确定的、联合的量子态。
叠加态与测量: 在测量之前,每个纠缠粒子本身都处于一种叠加态,也就是说,它可能处于多种状态的组合之中。例如,对于一个自旋为“上”和“下”的粒子,它可能同时处于“上”和“下的叠加状态”。
关联性: 量子纠缠的关键在于,当对其中一个纠缠粒子进行测量时,另一个粒子的状态会瞬间确定,并且与第一个粒子的测量结果高度相关。
经典类比(但不完全准确): 想象你有两只手套,一只是左手的,一只是右手的,分别放在两个密封的盒子里。你把一个盒子寄给远在月球的朋友。在打开盒子之前,你不知道里面是左手套还是右手套。但是,一旦你打开你的盒子,发现是左手套,你立刻就知道你朋友的盒子里一定是右手套,而无需任何通讯。
量子纠缠的更深层含义: 量子纠缠比这个类比更强大。它不是预先确定好什么盒子装着什么手套,而是直到你打开盒子测量时,手套才“决定”自己是左还是右,而另一个手套也同时“决定”了与你手中的手套相反的状态。

2. 为什么纠缠不能用于瞬时通讯?

尽管纠缠粒子之间的状态变化是瞬时的,但这个“瞬时”的特性并不能用来传输有意义的信息。原因如下:

测量结果的随机性(“不可控性”): 这是最核心的原因。当你测量一个纠缠粒子的某个性质(比如自旋方向)时,你得到的测量结果是完全随机的。
以我们上面的手套类比为例,即使你和月球上的朋友都有纠缠的粒子,在你测量你的粒子时,你可能得到“上”或“下”,并且概率各占一半。你无法控制你测量的结果。
如果你想通过发送信息来告诉朋友什么,你需要某种方式来“编码”你的信息。例如,你想让朋友知道“1”。你可能想通过让你的粒子测量结果为“上”来代表“1”,而为“下”代表“0”。但是,如前所述,你无法强制你的粒子测量出“上”。它会随机地出现“上”或“下”。
“没有自由意志”的发送者: 你无法主动地让你的纠缠粒子处于某个特定的状态,从而传递一个预设的信息。你只能“触发”一个随机的事件,然后观察结果。
接收者的困境(“无法解码”): 即使你成功地测量了你的粒子,得到了一个结果(比如“上”),你的朋友在月球上的粒子也会瞬间变成与你相反的状态(比如“下”)。但是,你的朋友并不知道你测量了你的粒子,也不知道你得到了什么结果。
当你的朋友测量他自己的粒子时,他同样会得到一个随机的结果(比如“下”),同样无法知道这个结果的产生是因为你测量了你的粒子,还是仅仅因为他自己的粒子碰巧塌缩成了“下”。
要让你的朋友理解你的测量结果,你仍然需要使用经典通信方式(比如无线电波)来告知他你的测量结果是什么。只有当他将你的经典信息和他自己测量到的粒子状态进行对比时,他才能验证纠缠的存在。
信息传递需要经典通道: 最终,任何有意义的信息交流都需要一个经典的信息通道来传递发送者的意图和测量结果。量子纠缠本身不提供这种“编码”和“解码”的能力。它只是在粒子之间建立了一种强烈的关联,这种关联在测量时才表现出来。
“无通信定理”(Nocommunication theorem): 量子力学中有一个非常重要的定理,称为“无通信定理”。这个定理明确地证明了,仅仅依靠量子纠缠本身,无法实现超光速的信息传输。它表明,无论你如何操纵和测量纠缠粒子,你都无法将信息从一个地点发送到另一个地点,而无需依赖经典通信渠道。

3. 纠缠的真正价值

尽管不能用于瞬时通讯,量子纠缠却在其他领域展现出巨大的潜力:

量子计算: 纠缠是量子计算机强大的并行计算能力的关键来源之一。
量子通信(安全): 量子密钥分发(QKD)利用纠缠来创建无法被窃听的安全密钥。如果有人尝试窃听,他们的测量行为会破坏纠缠态,从而暴露自己。
量子隐形传态(Quantum Teleportation): 这是一种奇特的量子现象,可以将一个粒子的量子态从一个地点传输到另一个地点,但它需要一个经典通信信道来传递辅助信息,并且传输的不是粒子本身,而是其“状态”。这也不是瞬时通讯。
基础物理研究: 纠缠是理解量子世界基本规则的关键。

总结:

量子纠缠就像两个心有灵犀的骰子,无论相隔多远,当你掷出你的骰子得到一个点数时,另一个骰子会立刻显现出与你相关的点数。但问题在于,你无法“控制”你的骰子掷出特定的点数。因此,你无法利用这种“心有灵犀”来传递一个预设的、有意义的信息。你需要通过传统的打电话或发信息的方式,告诉对方你掷出了什么点数,对方才能确认和利用这种关联。量子纠缠提供的是一种奇特的关联,而不是一种通信机制。

网友意见

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什么是信息?

信息的一个比较被认可的定义是1948年数学家香农在论文中提出的:信息是用来消除随机不定性的东西。

比如,盒子里有一个硬币,它可以是正面向上,也可以是反面向上,在打开前我们是不确定的。

然后我们打开盒子,我们眼睛看到的盒子硬币反射出来的光就是一个信息,因为它可以让我们消除正反面的不确定性,让我们得到一个确定的结果。

通讯最重要的要素就是信息,所以如果这个过程中没有涉及到信息的传递,那么就不能称为通讯。

而我们知道,信息传递的介质,光,声音,引力波等等都是以小于等于光速的速度传播的,这就是为什么说信息传递的速度要低于光速了。


什么是量子纠缠?

假如说一个盒子里有两个硬币,而这两个硬币的状态是随机的,那么在打开盒子前,盒子里面就有如图的四种可能。

一个电子类似于硬币,也是有两种状态,上旋和下旋。

一个盒子里有两个电子,这两个电子的状态也是随机的,那么在打开盒子观察前,盒子里的电子也是有如图的四种可能。

但是电子特殊的一点是,当两个电子靠的足够接近的时候,它们两个就可能发生一种变化,它们会释放出一个光子,同时两个电子进入了一个纠缠状态。此时两个电子就不是有四种可能,而是变成如图的只有这两种可能了,就是说两个电子的状态一定是相反的。

当我们把两个电子分开,放到两个很远很远的地方,这两个电子的这种关系依旧会存在,当我们测量其中的一个电子,发现它比如是上旋的时候,那么我们立刻知道,遥远另一个地方的那个电子一定是下旋的。

这里要注意一点,宏观世界里,在观察前盒子里的硬币是已经有了一个客观存在的状态的(比如是正面),可是对于微观的电子来讲,在测量前它是没有一个客观存在的状态的,它是处于上旋和下旋的叠加状态中,测量的过程才赋予了它一个确定的状态。

一旦进行测量之后,两个电子的纠缠态就会被打破了,变成了完全独立的两个电子了。

这就是量子纠缠,不仅是电子,光子,中子等等其他的粒子也同样可以有量子纠缠的现象。

量子纠缠并不能用作超光速信息传递,是因为,无论我们对A电子作何种操作,B电子附近的人都是无法知道的,他们不知道我们是否对A进行了测量,也无法知道我们对A进行的任何其他操作。无论我们对A做了什么,B处的人对B测量的时候都是有一半概率是上旋,一半概率是下旋。这个过程中没有任何信息可以通过两个电子之间进行传递。


那什么是量子通讯?

量子通讯,更严格的讲应该叫做量子加密通讯,这样称呼的话就没有那么多的歧义了。

在通讯的时候,我们为了让信息保密,不被别人知道,常常会对信息进行加密。

有一个密钥,是只有A和B知道的,利用这个密钥,A把信息进行处理加密变成一段密文,这样就算其他人截取了密文也不能知道A想传递的信息是什么。而B收到信息之后,利用手上的密钥把密文解密,就又得到了明文,知道A想传递的信息是什么。

可是经典的加密通讯,非常可能被破解,敌人可能通过破解或其他途径得知你们密钥,这样就可以随意窃听你们想传递的信息。

而量子加密通讯,理论上可以做到让敌人永远无法破解你们的通讯。

量子加密通讯有两条传输通道,一条传递纠缠粒子对(通常是纠缠光子),一条利用电磁波传输经典的信息。

第一步,A和B首先对依次收到到纠缠光子对进行处理,通过一组随机生成的偏振片。看是否能通过得到一组数据。

第二步,A和B互相把自己所用的偏振片组通过经典信息途径传递传递给对方,这样偏振片不相同的那些数据就被舍弃,A和B就得到了一组完全相同的,只有他们自己知道的密钥。

第三步,B将所得到密钥的一部分发给A,A检测如果和自己的密钥相符,那么就证明这个过程中没有其他人在监听,两边的数据是有效的。(这一步后面会解释。)

第四步,A将想传递的信息通过密钥加密成密文,通过经典途径传递给B,B用密文解密得到明文。


以上就是量子加密通讯的过程。


这里要说明一下。

在经典的通讯中,我是可以截取本来应该发给B 的信息,然后伪造完全相同的信息再发给B,这样A和B就无法发觉有人在监听。

而在量子通讯中,因为粒子的量子状态是无法复制的,一旦有人拦截了本应该发给B 的纠缠光子,他是无法复制出完全相同的一列光子发给B的,那么第三步中,A就会发现B发给自己数据和自己手上的数据不相同,立刻可以发现有人在监听。

所以说,从理论上,量子加密通讯是无法被破解的,可以做到绝对的安全。


还有一种更魔幻的量子纠缠应用,就是量子隐形传输

量子隐形传输就是科幻电视电影里所说的传送装置。

假如我们用量子隐形传输来传输人(理论上可行,但是实际操作起来我觉得永远都不可能做到)。

过程就是,A处和B处有大量互相纠缠的粒子,A处的人和纠缠粒子相互作用并被摧毁(根据量子学定律这是必然的)。一系列数据通过经典途径以光速传到B,然后遥远的B处利用这些纠缠粒子和从A传过来的数据生成了一个和A处完全相同的人,这个人拥有原来那个人所有的记忆和意识,他只觉得自己突然间从A 传到了B。


怎么理解量子隐形传输呢?

量子隐形传输,是一种容许我们把A处粒子的量子态传输给B处的一个粒子的技术。是一个很复杂很难理解的过程。这里就不详细描述。

我们这里只介绍一种更加容易理解的情况。

那就是把一个已知状态的粒子(比如上旋的电子),把它的状态传递给遥远地方的另一个电子。

第一步

我们需要在A和B有一对纠缠的电子,我们把A处的纠缠电子同需要传输的电子放到一起。

第二步

对这两个挨着的电子进行测量,但是不是直接测量它们各自状态,而是去测量比如它们两个的状态是相同还是不同。

第三步

如果A处两个粒子的状态是相同的,我们发出信息让B处的人用磁场将纠缠粒子旋转,于是B处的的纠缠粒子就变成了上旋。

如果A处两个粒子的状态是相反的,那么我们发出信息告诉B处的人不用做任何操作,B处的纠缠粒子本身就是上旋的。


同样,对于一个不知道量子态的电子,也是可以做到无损的把它的量子态传输给B处的某个电子的,只是过程要复杂的多。


而这一过程为什么叫做隐形传输,是因为这个过程需要传输的信息(比如要B处进行旋转操作,或者不操作)对于B以外的人是完全没有任何意义的,你不可能从中得到任何信息,只有拥有另一个纠缠粒子的B才能让这条信息变得有意义。

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我跟别人解释这个问题的时候都会打下面这个比方:

假设有俩彼此完全隔绝的房间,每个房间里都有一枚硬币正在疯狂旋转,并且只要不受外界干扰就绝不会停下来。

这两枚硬币彼此之间有一种很神奇的联系,就是只要有人捅一下其中一枚硬币让它停下来躺在地上,另一枚硬币不管在什么时候被人用什么姿势捅一下,它停下来之后朝上的一面必然和先停下的那枚是相反的。

注意,这里面的“捅一下”对应的是现实世界里对微观粒子的观测行为,评论里好像有很多朋友没理解这一点。

这两枚疯狂旋转的神奇硬币就相当于处在纠缠态的两个粒子。

关键问题是,人们除了捅一下硬币让它停下来之外,并没有其它方法让硬币的其中一面停下来朝上,而这个“捅一下”之后哪面朝上的结果是随机的,正反两面各有50%的几率。

所以你没办法保证自己能在一个房间里发一个“正面朝上”的信息,让另一个房间里的你的兄弟收到“反面朝上”的结果,如果你想让你兄弟收到“反面朝上”,你只能捅一下自己这枚硬币,然后拼命洗脸祈祷让它最后停在正面朝上,这显然是非常不靠谱的传递信息方式。

而且既然你和你兄弟分别呆在两个彼此隔绝的房间里,那你们就完全看不到听不到闻不到对方房间里的状况,也就根本不知道另一个房间里的人有没有捅过硬币。

但想确定硬币哪面朝上的唯一途径就是用手捅它,也就是说无论发信息还是接收信息,能做的操作只有捅。

按道理发信息的人应该比收信息的人先捅,但你们因为根本不知道对方的状况,所以也就不知道对方有没有捅过硬币,当你捅完自己的硬币之后发现它正面朝上时,你不知道这是你先捅出来的随机结果还是对方先捅出了个反面把你的硬币纠缠成了正面。

所以你不但没办法决定自己传送出去的是啥信息,甚至连自己究竟是传送了信息还是接收了信息都不知道,这种玩意儿肯定就没办法拿来直接通讯啦。

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