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中国在近来发射了一枚卫星用于测试量子纠缠。这是一项有趣的实验,这将有望实现“防黑客”的卫星通讯。
但是,这也造成了一系列的文章声称量子纠缠能容许超光速的通讯。其实有多个科学博客早已强调为何这是错误的,而且这值得再度指出:量子纠缠不容许速率超过光速的通讯。
这些误会是缘于量子理论的浅显化推广形式。量子客体可以是粒子和波,即具有波粒二象性。它们有一个波函数能描述特定结果的机率,而当检测这个量子客体时,它才会坍缩步入一个特殊的粒子状态。
不幸的是,这些量子理论的阿姆斯特丹解释掩藏了大部份的微妙量子行为,所以当它应用于纠缠时,都会看似有点矛盾。
最受欢迎的量子纠缠事例被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(--Rosen,EPR)的实验。
取一个两个物体的系统量子通讯速度,例如两个光子,这样它们的和有一个特定的已知结果。一般,这表现为它们的极化或载流子量子通讯速度,这样总和必须为零。假如一个光子测得是处于1的状态,那另一个光子必将处于-1的状态。因为一个光子的结果影响另一个光子的结果,就说这两个光子是量子纠缠的。
在阿姆斯特丹的观点看来,假如两个纠缠光子被分隔在相距很远的地方(原则上,甚至是相距光年以上),当检测一个光子的状态时,能够立刻晓得另一个光子的状态。为了让两个粒子的波函数顿时坍缩,那两个光子之间的交流就必须超光速,对吗?
一种很流行的反观点觉得似乎波函数坍缩速率超过光速,但这不能用于发送超光速的消息,由于结果是统计学上的。
假如我们相隔数光年,我们双方都晓得对方的纠缠光子对的结果,而且每一对纠缠光子的结果是随机的(因为量子不确定性),所以我们就不能促使光子有一个特定的结果。
现实是更微妙,而且要更有趣的多。似乎量子系统常常被视为很脆弱的东西,只要最轻微的互相作用都会使它们坍缩到一个特定状态,但事实并非这么。
纠缠系统实际上可以用各类各样的方式来操纵,甚至可以操纵它们拥有一个特定的结果。比如,我们能以不同的特定量子态创造出纠缠光子对。一个状态可以代表1,另一个则是0。
在遥远一端的人须要做的是确定一对特定的光子是处于哪种量子态,但要做到这一点,这边的人将须要获得大量的量子态的副本,之后检测这种副本以通过统计学来确定原始状态,而事实证明,在不晓得量子系统的状态时,是难以复制一个量子系统的。这被称为量子不可克隆定律,它意味着纠缠系统不能以超光速传递信息。
让我们回到中国刚才举办的实验。
量子不可克隆定律也意味着一个纠缠系统可以拿来发送加密消息。其实纠缠光子不能传递信息,但它们的随机结果具有相关性,所以A和B可以使用一系列纠缠光子来世成一种可以用于加密的随机字符串。由于AB双方都晓得对方的结果,所以她们都晓得这个相同的随机字符串。
为了破解这些加密,须要复制一份纠缠状态,但这是不可能的,因而破解量子通讯是十分困难的。有部份复制量子态的方式,这会提升破解加密的概率,但一种完美的复制是不可能的。
因而,量子纠缠未能让我们进行超光速通讯,但这能让我们更容易对秘密进行加密。
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