当前位置: 华文世界 > 科学

量子纠缠:超越速度极限却无法传递信息的奇异现象

2024-08-23科学

撰写量子力学的科普文章对许多作者而言是一种挑战。事实上,要做到既精确又易于理解几乎是不可能的任务,这有点像量子力学中的不确定性原理,无法同时精确测得粒子的位置和动量。

量子力学的普及与科学性之间的界线异常模糊。真正理解量子力学至少需要博士级别的知识,因为涉及大量的符号和公式,日常生活中很难找到对应的逻辑来帮助理解。

作为一名理论物理学专业的作者,我深知向大众普及量子力学的困难。这篇文章的结论在科学界基本上是公认的,我会尽量简化解释过程。

量子力学常被一些非专业科学爱好者(民科)误用,他们制造了大量的伪科学谣言。其中最大的误解是关于使用量子纠缠进行信息传递,甚至用于宇宙航行的说法。

我之前曾用数学方法详细解释过量子纠缠,感兴趣的读者可以查看我之前的作品。

本文的重点并非详细解释量子纠缠原理,而是阐释为什么量子纠缠不能用于信息传输。首先简单介绍一下量子纠缠的基本概念:将两个或更多的粒子置于同一系统中,由于每个粒子都有自己的波函数,这些波函数可能会相互纠缠,使得粒子共享一个新的波函数状态。即使将这些粒子物理上分开,它们的测量结果仍相互关联。科学家们对此有不同看法,但普遍接受的解释是,这两个粒子在某种意义上是同一个粒子,只是在三维空间中看似分离。

对一对纠缠粒子中的一个进行测量,会即时影响到另一个粒子的状态,且这种影响不受空间距离的限制。爱因斯坦将这种现象称为「诡异的远距作用」,因为它似乎挑战了光速的极限。

因此,爱因斯坦联同波多尔斯基和罗森挑战了哥本哈根学派对量子力学的解释,他们合作的名字缩写为EPR,因此这类纠缠粒子也被称为EPR对。

事实上,量子纠缠的速度极快,潘建伟教授在青海证实了其速度至少是光速的一万倍,其上限可能是无限的,用速度来描述已无意义。尽管如此,量子纠缠并不能用于信息和能量的传输,也没有推翻相对论,这更像是一场科学史上的误会。

为什么量子纠缠不能传递信息呢?设想我们制备了一对纠缠粒子A和B,将A留在地球,B送往火星。即使它们相隔5460万公里,仍处于纠缠状态。

如果我们在地球上对A进行测量,会立即影响火星上B的状态。纠缠粒子可能处于四种bell基状态之一, 未测量 前你无法知道其状态。一旦测量,粒子就会坍缩到这四种状态之一。

我们可以设想,如果地球上A的自旋向上,火星上的B就立即变为向下。

虽然这样看似可以利用这种关联传递信息,比如我在地球上根据自旋状态编码信息,希望火星上的接收者根据B粒子的自旋状态解码。但这是不可能的。

因为对A粒子的测量结果是随机的,我们无法控制其自旋状态。不对纠缠粒子进行测量时,A和B处于叠加态,测量导致状态坍缩到相反的自旋方向,但这个结果是随机的。这就是量子不可克隆的性质,也是量子加密通信的基础。

纠缠粒子的相互作用速度理论上是无限的,因此严格说来,描述它们的「速度」已无实际意义。

总之,量子纠缠虽然可以实现某种形式的超光速现象,但它无法用于传递信息或能量,因此不违背狭义相对论的规定。物理规律明确,物质可以传递信息,但不能超过光速;自然现象可以超光速,但不能用来传递信息,如某些电磁波的相速度和早期宇宙的膨胀速度。