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中國在近來發射了一枚衛星用于測試量子糾纏。這是一項有趣的實驗,這將有望實現“防黑客”的衛星通訊。
但是,這也造成了一系列的文章聲稱量子糾纏能容許超光速的通訊。其實有多個科學博客早已強調為何這是錯誤的,而且這值得再度指出:量子糾纏不容許速率超過光速的通訊。
這些誤會是緣于量子理論的淺顯化推廣形式。量子客體可以是粒子和波,即具有波粒二象性。它們有一個波函數能描述特定結果的機率,而當檢測這個量子客體時,它才會坍縮步入一個特殊的粒子狀態。
不幸的是,這些量子理論的阿姆斯特丹解釋掩藏了大部份的微妙量子行為,所以當它應用于糾纏時,都會看似有點矛盾。
最受歡迎的量子糾纏事例被稱為愛因斯坦-波多爾斯基-羅森(--Rosen,EPR)的實驗。
取一個兩個物體的系統量子通訊速度,例如兩個光子,這樣它們的和有一個特定的已知結果。一般,這表現為它們的極化或載流子量子通訊速度,這樣總和必須為零。假如一個光子測得是處于1的狀態,那另一個光子必將處于-1的狀態。因為一個光子的結果影響另一個光子的結果,就說這兩個光子是量子糾纏的。
在阿姆斯特丹的觀點看來,假如兩個糾纏光子被分隔在相距很遠的地方(原則上,甚至是相距光年以上),當檢測一個光子的狀態時,能夠立刻曉得另一個光子的狀態。為了讓兩個粒子的波函數頓時坍縮,那兩個光子之間的交流就必須超光速,對嗎?
一種很流行的反觀點覺得似乎波函數坍縮速率超過光速,但這不能用于發送超光速的消息,由于結果是統計學上的。
假如我們相隔數光年,我們雙方都曉得對方的糾纏光子對的結果,而且每一對糾纏光子的結果是隨機的(因為量子不確定性),所以我們就不能促使光子有一個特定的結果。
現實是更微妙,而且要更有趣的多。似乎量子系統常常被視為很脆弱的東西,只要最輕微的互相作用都會使它們坍縮到一個特定狀態,但事實并非這么。
糾纏系統實際上可以用各類各樣的方式來操縱,甚至可以操縱它們擁有一個特定的結果。比如,我們能以不同的特定量子態創造出糾纏光子對。一個狀態可以代表1,另一個則是0。
在遙遠一端的人須要做的是確定一對特定的光子是處于哪種量子態,但要做到這一點,這邊的人將須要獲得大量的量子態的副本,之后檢測這種副本以通過統計學來確定原始狀態,而事實證明,在不曉得量子系統的狀態時,是難以復制一個量子系統的。這被稱為量子不可克隆定律,它意味著糾纏系統不能以超光速傳遞信息。
讓我們回到中國剛才舉辦的實驗。
量子不可克隆定律也意味著一個糾纏系統可以拿來發送加密消息。其實糾纏光子不能傳遞信息,但它們的隨機結果具有相關性,所以A和B可以使用一系列糾纏光子來世成一種可以用于加密的隨機字符串。由于AB雙方都曉得對方的結果,所以她們都曉得這個相同的隨機字符串。
為了破解這些加密,須要復制一份糾纏狀態,但這是不可能的,因而破解量子通訊是十分困難的。有部份復制量子態的方式,這會提升破解加密的概率,但一種完美的復制是不可能的。
因而,量子糾纏未能讓我們進行超光速通訊,但這能讓我們更容易對秘密進行加密。
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