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量子纏結:超越速度極限卻無法傳遞資訊的奇異現象

2024-08-23科學

撰寫量子力學的科普文章對許多作者而言是一種挑戰。事實上,要做到既精確又易於理解幾乎是不可能的任務,這有點像量子力學中的不確定性原理,無法同時精確測得粒子的位置和動量。

量子力學的普及與科學性之間的界線異常模糊。真正理解量子力學至少需要博士級別的知識,因為涉及大量的符號和公式,日常生活中很難找到對應的邏輯來幫助理解。

作為一名理論物理學專業的作者,我深知向大眾普及量子力學的困難。這篇文章的結論在科學界基本上是公認的,我會盡量簡化解釋過程。

量子力學常被一些非專業科學愛好者(民科)誤用,他們制造了大量的偽科學謠言。其中最大的誤解是關於使用量子纏結進行資訊傳遞,甚至用於宇宙航行的說法。

我之前曾用數學方法詳細解釋過量子纏結,感興趣的讀者可以檢視我之前的作品。

本文的重點並非詳細解釋量子纏結原理,而是闡釋為什麽量子纏結不能用於資訊傳輸。首先簡單介紹一下量子纏結的基本概念:將兩個或更多的粒子置於同一系統中,由於每個粒子都有自己的波函式,這些波函式可能會相互纏結,使得粒子共享一個新的波函式狀態。即使將這些粒子物理上分開,它們的測量結果仍相互關聯。科學家們對此有不同看法,但普遍接受的解釋是,這兩個粒子在某種意義上是同一個粒子,只是在三維空間中看似分離。

對一對纏結粒子中的一個進行測量,會即時影響到另一個粒子的狀態,且這種影響不受空間距離的限制。愛因史坦將這種現象稱為「詭異的遠距作用」,因為它似乎挑戰了光速的極限。

因此,愛因史坦聯同波多斯基和羅森挑戰了哥本哈根學派對量子力學的解釋,他們合作的名字縮寫為EPR,因此這類纏結粒子也被稱為EPR對。

事實上,量子纏結的速度極快,潘建偉教授在青海證實了其速度至少是光速的一萬倍,其上限可能是無限的,用速度來描述已無意義。盡管如此,量子纏結並不能用於資訊和能量的傳輸,也沒有推翻相對論,這更像是一場科學史上的誤會。

為什麽量子纏結不能傳遞資訊呢?設想我們制備了一對纏結粒子A和B,將A留在地球,B送往火星。即使它們相隔5460萬公裏,仍處於纏結狀態。

如果我們在地球上對A進行測量,會立即影響火星上B的狀態。纏結粒子可能處於四種bell基狀態之一, 未測量 前你無法知道其狀態。一旦測量,粒子就會塌縮到這四種狀態之一。

我們可以設想,如果地球上A的自旋向上,火星上的B就立即變為向下。

雖然這樣看似可以利用這種關聯傳遞資訊,比如我在地球上根據自旋狀態編碼資訊,希望火星上的接收者根據B粒子的自旋狀態解碼。但這是不可能的。

因為對A粒子的測量結果是隨機的,我們無法控制其自旋狀態。不對纏結粒子進行測量時,A和B處於疊加態,測量導致狀態塌縮到相反的自旋方向,但這個結果是隨機的。這就是量子不可複制的性質,也是量子加密通訊的基礎。

纏結粒子的交互作用速度理論上是無限的,因此嚴格說來,描述它們的「速度」已無實際意義。

總之,量子纏結雖然可以實作某種形式的超光速現象,但它無法用於傳遞資訊或能量,因此不違背狹義相對論的規定。物理規律明確,物質可以傳遞資訊,但不能超過光速;自然現象可以超光速,但不能用來傳遞資訊,如某些電磁波的相速度和早期宇宙的膨脹速度。