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即使有量子糾纏,也沒有比光速還快的通訊

更新時間:2023-10-31 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

雖然有量子隱型傳態和量子糾纏態的存在,超光速通訊一直是不可能的7yY物理好資源網(原物理ok網)

對于許多人來說,雖然在很遠的距離上也能保持的量子糾纏的概念使人們希望有三天它可以用于比光速更快的通訊。7yY物理好資源網(原物理ok網)

愛因斯坦于1905年首次提出,數學學一個無可爭議的最基本規則,即任何類型的信息攜帶訊號都不能以超過光速的速率穿過宇宙。粒子,無論是有質量的還是無質量的,都須要將信息從一個位置傳輸到另一個位置,但是這種粒子必須根據相對論規則,以高于(有質量的)或以(無質量的)光速傳播。你或許可以借助彎曲的空間讓這些信息載體走捷徑,但它們依然只能以光速或以下的速率穿越空間。7yY物理好資源網(原物理ok網)

但是,自量子熱學發展以來,許多人企圖借助量子糾纏的力量來顛覆這一規則。在各類嘗試中設計了許多聰明的方案來傳輸“欺騙”相對論的信息,期望實現比光速更快的通訊。雖然這是繞開宇宙規則的令人贊嘆的嘗試,但每一個方案除了都失敗了,但是事實證明所有這種方案都注定要失敗。雖然有量子糾纏,超光速通訊在我們的宇宙中依然是不可能的。7yY物理好資源網(原物理ok網)

從概念上講,量子糾纏是一個簡單的概念。您可以從想像精典宇宙和您可以執行的最簡單的“隨機”實驗之一開始:進行拋硬幣。假如你和我每人有一枚公正的硬幣并擲它,我們每位人都希望我們每位人都有50/50的機會得到正面,而我們每位人都有50/50的機會得到背面。你的結果和我的結果除了應當是隨機的,但是應當是獨立的和不相關的:不管你的擲骰結果怎樣,我得到正面或背面的機率仍舊應當是50/50。7yY物理好資源網(原物理ok網)

但若果這其實不是一個精典系統,而是一個量子系統,這么你的硬幣和我的硬幣可能會糾纏在一起。我們每位人可能依然有50/50的機會得到正面或背面,但假如你擲硬幣并檢測正面,你將立刻就能以低于50/50的確切度統計預測我的硬幣是否可能落在無論是正面還是背面。這是量子糾纏的重要思想:兩個糾纏量子之間存在相關性,這意味著假如你實際檢測其中一個的量子態,另一個的狀態不會立刻確定,而是可以搜集到一些關于它的機率信息。7yY物理好資源網(原物理ok網)

通過從一個預先存在的系統中創建兩個糾纏光子并將它們相距很遠,我們可以通過檢測另一個的狀態來“傳送”有關一個狀態的信息,就算是從十分不同的位置。要求局部性和現實性的量子化學學解釋未能解釋無數的觀察結果,但多種解釋其實都差不多。7yY物理好資源網(原物理ok網)

從概念上講,這是怎樣工作的?7yY物理好資源網(原物理ok網)

在量子化學學中,存在一種稱為量子糾纏的現象,即你創造了多個量子粒子——每個量子粒子都有自己獨立的量子態——其中關于兩種狀態總和的一些重要信息是已知的。就似乎有一根看不見的線聯接著這兩個量子(或則,倘若依照量子熱學定理,兩枚硬幣糾纏在一起,你的硬幣和我的硬幣),當我們中的一個人對我們擁有的硬幣進行檢測時,我們可以立刻了解另一枚硬幣的狀態,這超出了我們熟悉的“經典隨機性”。7yY物理好資源網(原物理ok網)

其實這聽上去像是純粹的理論工作,但它早已在實驗領域進行了幾六年。我們創造了成對的糾纏量子(具體來說是光子),之后它們被彼此帶走,直至它們相隔很遠,之后我們有兩個獨立的檢測裝置,可以告訴我們每位粒子的量子態是哪些.我們盡可能同時進行這種檢測,之后聚在一起比較我們的結果。這種實驗意義深遠,以至于遵守這種思路的研究獲得了2022年諾貝爾化學學獎。7yY物理好資源網(原物理ok網)

不同測試角度在量子熱學(紅色)和精典熱學中(藍色)的糾錯率7yY物理好資源網(原物理ok網)

單重態(紅色)下兩個載流子的量子相關性的最佳局域現實主義模仿(藍色),堅持在0度時完美反相關,在180度時完美相關。受這種附加條件影響的精典相關性存在許多其他可能性量子計算和量子通訊,但所有可能性都以0、180、360度處的尖峰(和低潮)為特點,但是沒有一個在45、135度處具有更極端的值(+/-0.5),225、315度。這種值在圖中用星號標記,而且是在標準Bell-CHSH型實驗中檢測的值。量子和精典預測可以清楚地分辨下來,并在1972年的博士論文中以各類角度被辨識下來。7yY物理好資源網(原物理ok網)

量子計算和量子通訊_量子通信量子計算量子測量_量子通訊計算方法7yY物理好資源網(原物理ok網)

我們發覺,其實令人吃驚的是,你的硬幣和我的硬幣的結果(或則,假如你樂意,你的光子的載流子和我的光子的載流子)是互相關聯的!我們如今早已將兩個光子分開數百公里的距離,之后再進行這種關鍵檢測,之后在毫秒公測量彼此的量子態。倘若其中一個光子的載流子為+1,則另一個光子的狀態可以預測到大概75%的確切度,而不是你曉得它是+1或-1時一般期望的標準50%。7yY物理好資源網(原物理ok網)

據悉,關于另一個粒子的載流子的信息可以立刻得知,而是不須要等待其他檢測設備向我們發送該訊號的結果。從表面上看,我們或許可以曉得糾纏實驗另一端正在發生的事情的一些信息,除了速率比光速快,但是起碼比光速快數萬倍。這是否意味著信息實際上以比光速更快的速率傳輸?7yY物理好資源網(原物理ok網)

假如兩個粒子糾纏在一起,它們具有互補的波函數特點,檢測一個粒子就可以確定另一個粒子的特點。但是,假如你創造了兩個糾纏的粒子或系統,并檢測一個在另一個衰變之前怎樣衰變,你應當才能測試時間反演對稱性是否守恒或被破壞。7yY物理好資源網(原物理ok網)

從表面上看,信息雖然確實以比光速還快的速率傳遞。諸如,您可能會嘗試捏造一個遵守以下設置的實驗:7yY物理好資源網(原物理ok網)

假如這個設置有效,你真的才能曉得在遙遠目的地的觀察者是否逼迫她們的糾纏對步入+1或-1狀態,只需在遠處打破糾纏后檢測你自己的粒子對。7yY物理好資源網(原物理ok網)

電子通過雙縫的波型,一次一個。假如你檢測電子穿過“哪個狹縫”,你還會破壞這兒顯示的量子干涉圖樣。不管解釋怎樣,量子實驗其實關心我們是否進行個別觀察和檢測(或強制進行個別交互)。7yY物理好資源網(原物理ok網)

這其實是實現超光速通訊的極佳設置。您所須要的只是一個打算充分的糾纏量子粒子系統,一個在您進行檢測時就各類訊號的涵義達成一致的系統,以及一個您將進行這種關鍵檢測的預定時間。雖然在光年之外,您也可以通過觀察隨身攜帶的粒子立刻了解目的地的檢測結果。7yY物理好資源網(原物理ok網)

但這是對的嗎?7yY物理好資源網(原物理ok網)

這是一個十分聰明的實驗方案,但實際上并沒有以任何方式得到回報。當您在粒子對糾纏和形成的原始來源處進行這種關鍵檢測時,您會發覺一些特別令人沮喪的事情:您的結果僅顯示50/50的概率處于+1或-1狀態。就好象遠處觀察者的行為,促使她們的糾纏對中的成員處于+1或-1狀態,對你的實驗結果根本沒有影響。假如根本沒有任何糾纏,結果與您的預期相同。7yY物理好資源網(原物理ok網)

測試量子非定域性的第三方面實驗示意圖。來自光源的糾纏光子被發送到兩個快速開關,將它們引導到偏振光檢查器。這種開關可以十分迅速地修改設置,因而在光子飛行時有效地修改實驗的偵測器設置。令人吃驚的是,不同的設置會造成不同的實驗結果。7yY物理好資源網(原物理ok網)

我們的計劃在那里失敗了?正是在我們讓目的地的觀察者進行觀察并嘗試將該信息編碼到她們的量子態的步驟中,我們之前曾說過,“你讓目的地的觀察者找尋某種訊號,之后力它們糾纏的粒子步入+1狀態(對于正訊號)或-1狀態(對于負訊號)。”7yY物理好資源網(原物理ok網)

當你采取這一步驟時——迫使一對糾纏粒子中的一個成員步入特定的量子態——該行為除了會破壞兩個粒子之間的糾纏量子計算和量子通訊,并且不會破壞糾纏并確定該粒子的屬性;它打破了糾纏并將其放在一個新狀態,該狀態不關心通過公正檢測“確定”了那個狀態(+1或-1)。7yY物理好資源網(原物理ok網)

也就是說,糾纏對中的另一個成員完全不受這些“強迫”作用的影響,它的量子態仍舊是隨機的,是+1和-1量子態的疊加。你通過“強迫”糾纏粒子的一個成員步入特定狀態所做的事情完全打破了檢測結果之間的相關性。您“強迫”目標粒子步入的狀態現今與源粒子的量子態100%無關。7yY物理好資源網(原物理ok網)

量子擦除實驗設置,其中兩個糾纏粒子被分離和檢測。一個粒子在其目的地的改變不會影響另一個粒子的結果。您可以將量子擦除器等原理與雙縫實驗結合上去,瞧瞧倘若您保留或破壞,或則查看或不查看您通過檢測狹縫本身發生的信息而創建的信息會發生哪些。7yY物理好資源網(原物理ok網)

可以規避這個問題的惟一方式是是否存在某種方式來進行實際上強制形成特定結果的量子檢測,這是違反在目前已知的化學定理。7yY物理好資源網(原物理ok網)

假如你能做到這一點,這么目的地的某個人就可以進行觀察——例如,了解她們正在訪問的行星是否有人居住——然后使用一些未知的過程來:7yY物理好資源網(原物理ok網)

不幸的是,量子檢測的結果不可防止地是隨機的;您未能將首選結果編碼為量子檢測。7yY物理好資源網(原物理ok網)

雖然借助量子糾纏,在了解糾纏實驗另一端發生的事情時,也不可能比隨機猜想做得更好,無論它是關于光子載流子、拋硬幣,還是妄圖曉得哪些做莊手中的牌。7yY物理好資源網(原物理ok網)

正如量子化學學家蓋瑞·奧澤爾(ChadOrzel)所寫,進行檢測(保持對之間的糾纏)和強制一個特定結果(這本身就是狀態的變化)之后進行檢測(糾纏不存在)之間存在很大差別保持)。假如你想控制而不是簡單地檢測量子粒子的狀態,這么一旦你進行狀態改變操作,你都會喪失對組合系統的完整狀態的了解。7yY物理好資源網(原物理ok網)

只要糾纏保持完整,量子糾纏只能用于通過檢測另一個組件來獲取有關量子系統一個組件的信息。你不能做的是在糾纏系統的一端創建信息,之后以某種形式將其發送到另一端。假如你能以某種形式復制你的量子態,超光速通訊終究是可能的,但這也是違反化學定理的。7yY物理好資源網(原物理ok網)

假如你能以某種形式獲得一個量子態并復制它,就有可能設計出一種比光速還快的通訊方案。但是,早在1970年代和80年代,多個獨立團體就證明了一個有效的不可克隆定律,由于嘗試檢測量子態(了解它是哪些)的行為從根本上改變了結果。7yY物理好資源網(原物理ok網)

通過借助量子糾纏的奇特化學學,您可以做好多事情,比如通過創建一個量子鎖和鎖匙系統,該系統對于純精典估算來說幾乎牢不可破。但事實上,你不能復制或克隆一個量子態——因為僅僅讀取狀態的行為會從根本上改變它——是任何通過量子糾纏實現超光速通訊的可行方案的關鍵所在。量子糾纏本身就是一個豐富的研究領域,其許多方面在2022年諾貝爾化學學獎中得到認可。7yY物理好資源網(原物理ok網)

量子糾纏在實踐中的實際工作方法有好多微妙之處,但關鍵要點是:沒有任何檢測程序可以在保持粒子之間糾纏的同時強制形成特定結果。任何量子檢測的結果都不可防止地是隨機的,因而否定了這些可能性。事實證明,沒有任何信息可以比光速更快地發送,進而使我們的宇宙一直保持原有的因果關系。7yY物理好資源網(原物理ok網)

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