在星体格利泽667Cc上的日落(艺术渲染图)。(©ESO/L.)
早前,在中提及的突破摄星是一个野心勃勃的计划。她们准备将人类制造的飞船首次送往另一个星体系统。即使一个巨大的激光阵可以发射一个质量很小,只有微芯片的大小的飞船以~20%的光速抵达另一个星体,而且如此一个低功率的设备要怎么穿越辽阔的星际空间与我们通信还毫无头绪。这么问题来了,有没有可能通过量子纠缠来实现星际间的通信?
这是一个很值得考量的问题。我们先来做一个简单的实验了解一下哪些是纠缠。
两枚硬币:一枚显示正面,一枚显示背面。(©Mint)
想像一下你有两枚硬币,每枚都有正面和背面。如今,你有一枚,我有一枚,我们之间相隔特别的遥远。我们一起把硬币扔向空中,之后把它们拍在椅子上。在我们看结果之前,我们预期我们两就会有50/50的机率看见“正面”,以及50/50的机率看见“反面”。在一个正常、非纠缠的宇宙,你看见的结果和我听到的结果是完全互相独立的:假如你得到了“正面”,我得到“正面”或“反面”的机率都是50/50。并且在个别情况下,这种结果可以是纠缠的,意思是说假如我们同样做这个实验,当你得到“正面”的结果的时侯,在我告诉你我的结果之前你就可以100%的确定我的硬币显示的肯定是“反面”。虽然我们之间相隔光年之远,你也可以立刻我的结果。
这个系统拥有两个物体量子纠缠 通讯,它们分别为圆形和方形。这两个物体可以有四种组合态(圆,圆),(圆、方),(方,圆),(方,方)。这个图显示了精典情况下两个物体互相独立,晓得了其中一个物体的态对另一个态的信息完全没帮助。假如第一个物体是方的,我们对第二个物体的形状还是不确定。(©Olena)
在量子化学中,纠缠一般发生在粒子之间,像电子和光子。举个事例,每位光子可以拥有载流子+1或-1。假如你检测了其中一个光子的载流子,你就可以立刻得到另一个的载流子,虽然它们相隔半个宇宙宽度这么远。在检测其中一个光子的载流子之前,它们都逗留在不确定性态,一旦对其中一个粒子的载流子进行了检测,就会同时晓得两个的。相关的实验早已在月球上实现了,化学学家将两个纠缠的光子相隔数英里,她们发觉假如检测得到其中一个载流子为+1,这么我们立刻都会晓得另一个为-1。实验结果显示这比光速通信快起码1万倍。
这是纠缠系统的情况,晓得了一个态能够立刻获取另一个的信息。晓得第一个物体是圆,我们就晓得第二个也是圆的。晓得了一个物体的形状就可以确定的晓得另一个。(©Olena)
如今我们就回到最初的问题上,是否还能借助量子纠缠的技术实现跟遥远星体之间的通信?当我们说通信的时侯,一般是指我们想晓得目的地的一些情况。举个事例,你可以让一个纠缠粒子保持不确定性状态,之后把它放置在飞船内送往毗邻的星体。它的任务是找寻该星体系统内宜居区域内是否存在着岩石行星的征兆。假如发觉岩石星体,就逼迫粒子为+1态,倘若没找到,就逼迫粒子处于-1态。
从一个预先存在的系统中制造两个纠缠的光子,并把它们分开很远的一段距离,晓得其中一个光子的状态才能立刻晓得另一个的。(©)
所以,当你对月球上的粒子进行检测时要么得到-1态表明飞船找到一个岩石行星,倘若是+1态就表示没有找到。一旦你晓得远处的粒子早已被检测了,你就可以进行检测并立刻晓得远处粒子的态量子纠缠 通讯,虽然是许多光年外。
通过双缝的电子波形,一旦检测到电子通过了那个狭缝,就破坏了量子干涉形状。(©Dr.and)
这看上去是个绝妙地看法,然而这儿有一个问题:只有当你问一个粒子处于哪些态时纠缠能够运作。假如你促使一个纠缠粒子处于一个特定的态,你就打破了纠缠,这么你在月球上的检测就完全与在遥远星体上的检测无关。假如你只是简单地检测遥远粒子的载流子为+1或-1,这么你在月球上的检测都会是-1或+1,你就获得了在光年外粒子的信息。并且通过逼迫远处的粒子为+1或-1,这就意味着不管是哪些结果,你在月球上得到+1或-1的机率都是50/50。
量子抹去器的实验装置,两个纠缠粒子被分开并检测。(©)
这是量子热学最令人困扰的地方。当你晓得一个系统的全态并对其中一个部份进行检测的时侯,纠缠可以拿来获取一个另一个部份的信息,但不是从一个纠缠系统的一部份制造和发射信息到另一个部份。其实这个看法十分耐人寻味,并且超光速通信还不能否纠缠实现。
量子纠缠的性质在好多方面都有着无限的前景,例如量子计算机。并且超光速通信?要理解为何这不可能须要我们理解量子热学的一个主要性质:促使一个纠缠系统的一部分成为一个特定态或另一个态不容许你获得其它部份的信息。正如玻尔所说:
“如果谁不为量子理论而倍感疑惑,那他就是没有理解量子理论。”