中国在最近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”的卫星通信。
然而,这也导致了一系列的文章声称量子纠缠能允许超光速的通信。虽然有多个科学博客已经指出为什么这是错误的,但是这值得再次强调:量子纠缠不允许速度超过光速的通信。
这种误解是源于量子理论的通俗化推广方式。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概率,而当测量这个量子客体时,它就会坍缩进入一个特殊的粒子状态。
不幸的是,这种量子理论的哥本哈根解释掩盖了大部分的微妙量子行为,所以当它应用于纠缠时,就会看似有点矛盾。
最受欢迎的量子纠缠例子被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(Einstein-Podolsky-Rosen,EPR)的实验。
取一个两个物体的系统,比如两个光子,这样它们的和有一个特定的已知结果。通常,这表现为它们的极化或自旋,这样总和必须为零。如果一个光子测得是处于1的状态,那另一个光子必定处于-1的状态。由于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。
在哥本哈根的观点看来,如果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),当测量一个光子的状态时,就能立即知道另一个光子的状态。为了让两个粒子的波函数瞬间坍缩,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认为虽然波函数坍缩速度超过光速,但这不能用于发送超光速的消息,因为结果是统计学上的。
如果我们相隔数光年,我们双方都知道对方的纠缠光子对的结果,但是每一对纠缠光子的结果是随机的(由于量子不确定性),所以我们就不能迫使光子有一个特定的结果。
现实是更微妙,并且要更有趣的多。虽然量子系统往往被视为很脆弱的东西,只要最轻微的相互作用就会使它们坍缩到一个特定状态,但事实并非如此。
纠缠系统实际上可以用各种各样的方法来操纵,甚至可以操纵它们拥有一个特定的结果。例如,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。
在遥远一端的人需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,那边的人将需要获得大量的量子态的副本,然后测量这些副本以通过统计学来确定原始状态,而事实证明,在不知道量子系统的状态时,是无法复制一个量子系统的。这被称为量子不可克隆定理,它意味着纠缠系统不能以超光速传递信息。
让我们回到中国刚刚开展的实验。
量子不可克隆定理也意味着一个纠缠系统可以用来发送加密消息。虽然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生成一种可以用于加密的随机字符串。因为AB双方都知道对方的结果,所以他们都知道这个相同的随机字符串。
为了破解这种加密,需要复制一份纠缠状态,但这是不可能的,因此破解量子通信是非常困难的。有部分复制量子态的方法,这会提高破解加密的机率,但一种完美的复制是不可能的。
因此,量子纠缠无法让我们进行超光速通信,但这能让我们更容易对秘密进行加密。