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即使有量子纠缠,也没有比光速还快的通讯

更新时间:2023-10-31 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

虽然有量子隐型传态和量子纠缠态的存在,超光速通讯一直是不可能的NTB物理好资源网(原物理ok网)

对于许多人来说,虽然在很远的距离上也能保持的量子纠缠的概念使人们希望有三天它可以用于比光速更快的通讯。NTB物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦于1905年首次提出,数学学一个无可争议的最基本规则,即任何类型的信息携带讯号都不能以超过光速的速率穿过宇宙。粒子,无论是有质量的还是无质量的,都须要将信息从一个位置传输到另一个位置,但是这种粒子必须根据相对论规则,以高于(有质量的)或以(无质量的)光速传播。你或许可以借助弯曲的空间让这些信息载体走捷径,但它们依然只能以光速或以下的速率穿越空间。NTB物理好资源网(原物理ok网)

但是,自量子热学发展以来,许多人企图借助量子纠缠的力量来颠覆这一规则。在各类尝试中设计了许多聪明的方案来传输“欺骗”相对论的信息,期望实现比光速更快的通讯。虽然这是绕开宇宙规则的令人赞叹的尝试,但每一个方案除了都失败了,但是事实证明所有这种方案都注定要失败。虽然有量子纠缠,超光速通讯在我们的宇宙中依然是不可能的。NTB物理好资源网(原物理ok网)

从概念上讲,量子纠缠是一个简单的概念。您可以从想像精典宇宙和您可以执行的最简单的“随机”实验之一开始:进行抛硬币。假如你和我每人有一枚公正的硬币并掷它,我们每位人都希望我们每位人都有50/50的机会得到正面,而我们每位人都有50/50的机会得到背面。你的结果和我的结果除了应当是随机的,但是应当是独立的和不相关的:不管你的掷骰结果怎样,我得到正面或背面的机率仍旧应当是50/50。NTB物理好资源网(原物理ok网)

但若果这其实不是一个精典系统,而是一个量子系统,这么你的硬币和我的硬币可能会纠缠在一起。我们每位人可能依然有50/50的机会得到正面或背面,但假如你掷硬币并检测正面,你将立刻就能以低于50/50的确切度统计预测我的硬币是否可能落在无论是正面还是背面。这是量子纠缠的重要思想:两个纠缠量子之间存在相关性,这意味着假如你实际检测其中一个的量子态,另一个的状态不会立刻确定,而是可以搜集到一些关于它的机率信息。NTB物理好资源网(原物理ok网)

通过从一个预先存在的系统中创建两个纠缠光子并将它们相距很远,我们可以通过检测另一个的状态来“传送”有关一个状态的信息,就算是从十分不同的位置。要求局部性和现实性的量子化学学解释未能解释无数的观察结果,但多种解释其实都差不多。NTB物理好资源网(原物理ok网)

从概念上讲,这是怎样工作的?NTB物理好资源网(原物理ok网)

在量子化学学中,存在一种称为量子纠缠的现象,即你创造了多个量子粒子——每个量子粒子都有自己独立的量子态——其中关于两种状态总和的一些重要信息是已知的。就似乎有一根看不见的线联接着这两个量子(或则,倘若依照量子热学定理,两枚硬币纠缠在一起,你的硬币和我的硬币),当我们中的一个人对我们拥有的硬币进行检测时,我们可以立刻了解另一枚硬币的状态,这超出了我们熟悉的“经典随机性”。NTB物理好资源网(原物理ok网)

其实这听上去像是纯粹的理论工作,但它早已在实验领域进行了几六年。我们创造了成对的纠缠量子(具体来说是光子),之后它们被彼此带走,直至它们相隔很远,之后我们有两个独立的检测装置,可以告诉我们每位粒子的量子态是哪些.我们尽可能同时进行这种检测,之后聚在一起比较我们的结果。这种实验意义深远,以至于遵守这种思路的研究获得了2022年诺贝尔化学学奖。NTB物理好资源网(原物理ok网)

不同测试角度在量子热学(红色)和精典热学中(蓝色)的纠错率NTB物理好资源网(原物理ok网)

单重态(红色)下两个载流子的量子相关性的最佳局域现实主义模仿(蓝色),坚持在0度时完美反相关,在180度时完美相关。受这种附加条件影响的精典相关性存在许多其他可能性量子计算和量子通讯,但所有可能性都以0、180、360度处的尖峰(和低潮)为特点,但是没有一个在45、135度处具有更极端的值(+/-0.5),225、315度。这种值在图中用星号标记,而且是在标准Bell-CHSH型实验中检测的值。量子和精典预测可以清楚地分辨下来,并在1972年的博士论文中以各类角度被辨识下来。NTB物理好资源网(原物理ok网)

量子计算和量子通讯_量子通信量子计算量子测量_量子通讯计算方法NTB物理好资源网(原物理ok网)

我们发觉,其实令人吃惊的是,你的硬币和我的硬币的结果(或则,假如你乐意,你的光子的载流子和我的光子的载流子)是互相关联的!我们如今早已将两个光子分开数百公里的距离,之后再进行这种关键检测,之后在毫秒公测量彼此的量子态。倘若其中一个光子的载流子为+1,则另一个光子的状态可以预测到大概75%的确切度,而不是你晓得它是+1或-1时一般期望的标准50%。NTB物理好资源网(原物理ok网)

据悉,关于另一个粒子的载流子的信息可以立刻得知,而是不须要等待其他检测设备向我们发送该讯号的结果。从表面上看,我们或许可以晓得纠缠实验另一端正在发生的事情的一些信息,除了速率比光速快,但是起码比光速快数万倍。这是否意味着信息实际上以比光速更快的速率传输?NTB物理好资源网(原物理ok网)

假如两个粒子纠缠在一起,它们具有互补的波函数特点,检测一个粒子就可以确定另一个粒子的特点。但是,假如你创造了两个纠缠的粒子或系统,并检测一个在另一个衰变之前怎样衰变,你应当才能测试时间反演对称性是否守恒或被破坏。NTB物理好资源网(原物理ok网)

从表面上看,信息虽然确实以比光速还快的速率传递。诸如,您可能会尝试捏造一个遵守以下设置的实验:NTB物理好资源网(原物理ok网)

假如这个设置有效,你真的才能晓得在遥远目的地的观察者是否逼迫她们的纠缠对步入+1或-1状态,只需在远处打破纠缠后检测你自己的粒子对。NTB物理好资源网(原物理ok网)

电子通过双缝的波型,一次一个。假如你检测电子穿过“哪个狭缝”,你还会破坏这儿显示的量子干涉图样。不管解释怎样,量子实验其实关心我们是否进行个别观察和检测(或强制进行个别交互)。NTB物理好资源网(原物理ok网)

这其实是实现超光速通讯的极佳设置。您所须要的只是一个打算充分的纠缠量子粒子系统,一个在您进行检测时就各类讯号的涵义达成一致的系统,以及一个您将进行这种关键检测的预定时间。虽然在光年之外,您也可以通过观察随身携带的粒子立刻了解目的地的检测结果。NTB物理好资源网(原物理ok网)

但这是对的吗?NTB物理好资源网(原物理ok网)

这是一个十分聪明的实验方案,但实际上并没有以任何方式得到回报。当您在粒子对纠缠和形成的原始来源处进行这种关键检测时,您会发觉一些特别令人沮丧的事情:您的结果仅显示50/50的概率处于+1或-1状态。就好象远处观察者的行为,促使她们的纠缠对中的成员处于+1或-1状态,对你的实验结果根本没有影响。假如根本没有任何纠缠,结果与您的预期相同。NTB物理好资源网(原物理ok网)

测试量子非定域性的第三方面实验示意图。来自光源的纠缠光子被发送到两个快速开关,将它们引导到偏振光检查器。这种开关可以十分迅速地修改设置,因而在光子飞行时有效地修改实验的侦测器设置。令人吃惊的是,不同的设置会造成不同的实验结果。NTB物理好资源网(原物理ok网)

我们的计划在那里失败了?正是在我们让目的地的观察者进行观察并尝试将该信息编码到她们的量子态的步骤中,我们之前曾说过,“你让目的地的观察者找寻某种讯号,之后力它们纠缠的粒子步入+1状态(对于正讯号)或-1状态(对于负讯号)。”NTB物理好资源网(原物理ok网)

当你采取这一步骤时——迫使一对纠缠粒子中的一个成员步入特定的量子态——该行为除了会破坏两个粒子之间的纠缠量子计算和量子通讯,并且不会破坏纠缠并确定该粒子的属性;它打破了纠缠并将其放在一个新状态,该状态不关心通过公正检测“确定”了那个状态(+1或-1)。NTB物理好资源网(原物理ok网)

也就是说,纠缠对中的另一个成员完全不受这些“强迫”作用的影响,它的量子态仍旧是随机的,是+1和-1量子态的叠加。你通过“强迫”纠缠粒子的一个成员步入特定状态所做的事情完全打破了检测结果之间的相关性。您“强迫”目标粒子步入的状态现今与源粒子的量子态100%无关。NTB物理好资源网(原物理ok网)

量子擦除实验设置,其中两个纠缠粒子被分离和检测。一个粒子在其目的地的改变不会影响另一个粒子的结果。您可以将量子擦除器等原理与双缝实验结合上去,瞧瞧倘若您保留或破坏,或则查看或不查看您通过检测狭缝本身发生的信息而创建的信息会发生哪些。NTB物理好资源网(原物理ok网)

可以规避这个问题的惟一方式是是否存在某种方式来进行实际上强制形成特定结果的量子检测,这是违反在目前已知的化学定理。NTB物理好资源网(原物理ok网)

假如你能做到这一点,这么目的地的某个人就可以进行观察——例如,了解她们正在访问的行星是否有人居住——然后使用一些未知的过程来:NTB物理好资源网(原物理ok网)

不幸的是,量子检测的结果不可防止地是随机的;您未能将首选结果编码为量子检测。NTB物理好资源网(原物理ok网)

虽然借助量子纠缠,在了解纠缠实验另一端发生的事情时,也不可能比随机猜想做得更好,无论它是关于光子载流子、抛硬币,还是妄图晓得哪些做庄手中的牌。NTB物理好资源网(原物理ok网)

正如量子化学学家盖瑞·奥泽尔(ChadOrzel)所写,进行检测(保持对之间的纠缠)和强制一个特定结果(这本身就是状态的变化)之后进行检测(纠缠不存在)之间存在很大差别保持)。假如你想控制而不是简单地检测量子粒子的状态,这么一旦你进行状态改变操作,你都会丧失对组合系统的完整状态的了解。NTB物理好资源网(原物理ok网)

只要纠缠保持完整,量子纠缠只能用于通过检测另一个组件来获取有关量子系统一个组件的信息。你不能做的是在纠缠系统的一端创建信息,之后以某种形式将其发送到另一端。假如你能以某种形式复制你的量子态,超光速通讯终究是可能的,但这也是违反化学定理的。NTB物理好资源网(原物理ok网)

假如你能以某种形式获得一个量子态并复制它,就有可能设计出一种比光速还快的通讯方案。但是,早在1970年代和80年代,多个独立团体就证明了一个有效的不可克隆定律,由于尝试检测量子态(了解它是哪些)的行为从根本上改变了结果。NTB物理好资源网(原物理ok网)

通过借助量子纠缠的奇特化学学,您可以做好多事情,比如通过创建一个量子锁和锁匙系统,该系统对于纯精典估算来说几乎牢不可破。但事实上,你不能复制或克隆一个量子态——因为仅仅读取状态的行为会从根本上改变它——是任何通过量子纠缠实现超光速通讯的可行方案的关键所在。量子纠缠本身就是一个丰富的研究领域,其许多方面在2022年诺贝尔化学学奖中得到认可。NTB物理好资源网(原物理ok网)

量子纠缠在实践中的实际工作方法有好多微妙之处,但关键要点是:没有任何检测程序可以在保持粒子之间纠缠的同时强制形成特定结果。任何量子检测的结果都不可防止地是随机的,因而否定了这些可能性。事实证明,没有任何信息可以比光速更快地发送,进而使我们的宇宙一直保持原有的因果关系。NTB物理好资源网(原物理ok网)

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