本故事純屬虛構。
楔子
宇宙孤寂的虛空中量子糾纏 通訊,有一個巨大的身影飛掠而過,這正是宇宙創世級別的高手:超光明王。他一邊飛行一邊愧疚:居然睡過了百億年,錯過了這一輪的宇宙創生,由于沒有參與對規則的設定,這個宇宙居然完全看不到自己最愛的頓時超距作用的存在。
再有上億公里,他就可以抵達和明妃約定的集結地點了,他計劃把這個宇宙攪亂重建。前方旋即又略帶一男一女兩個身影,似是已等待他多時了,男的強壯堅實,剪影剛毅;女的身影卻虛幻不實,如籠在霧中。超光明王認出這是引力高手和量子媳婦,心中頓時便已了然前因后果,創世之前不正是這兩位拉著自己飲酒,于是自己一醉不醒嗎?
引力高手拂出一賜教向超光明王,明王身體雖仍保持著飛行的坐姿,卻不能再前進半點,于是倒飛回來站定,與引力高手和量子奶奶遙遙僵持。引力高手只淡淡說出一句話來:“我們斗一場吧,在現今這個宇宙的規則里,時空間隔是絕對的,信息不容許超光速傳播。只要你能打破這個規則,無視時空間隔的限制,把信息頓時傳遞給明妃,我們可以由你改變創世進程;否則你要自愿被軟禁在視界之內,直至下一個宇宙創生的時侯。”
話音剛落,量子奶奶投出一塊虛影,虛影中正是明妃在約定的地方等待。由于空間距離尚遠,影像略有延后。而那邊引力高手也從身旁扔出一個人類來,其實是拿來公證賭約的。這是一個來自月球的化學學家,此時全然不知身在何處。他聽出兩方的意思,曉得將要見證一場關于數學癥結的賭約,雙眼中不由地漏出狂熱的光芒。
明王右手拍掌,說道:“好!”雙手并不停息,幾個光影在虛空中浮現下來……
第一局
光影漸漸凝煉一系列硬幣的形狀,在虛空中無聲地旋轉著,此刻陰陽未明,竟呈現出宇宙誕生之初的混沌之象。
那人類化學學家盯住明王手里的光幣,激動道:“看來這不是日常所用的硬幣,而是遵照量子熱學的光幣。這光幣每兩枚為一套,明王和明妃總是各執其中一枚,兩枚光幣的狀態完全關聯在一起,構成糾纏狀態。當光幣停止旋轉時,假若王(W)看見手里的光幣朝向自己的是陽面
,這么妃(F)必然也會見到自己的光幣為陽面
;假如王聽到的是背陰
,妃必然也會見到背陰
。兩個光幣的糾纏狀態可表示為
。”
化學學家繼續說:“他們可以把陽面記做1,背陰記做0。由于所有信息都可以用二補碼的1和0來編碼,例如Hi翻譯成二補碼代碼就是01001。假如明王想利用糾纏狀態跟明妃通話,說的第一句話是“Hi”的話,那他只須要按次序取出十六枚光幣,讓自己手里的第一枚硬幣停下時為背陰,第二枚硬幣停下時為陽面,第三枚陽面…,以這種推。因為明妃手里的光幣與之關聯,明妃就可以通過自己手里的光幣停止時呈現的狀態讀出這句話來。”
明王并未理會化學學家急匆匆地解說,他也從沒準備浪費時間去說一句Hi。明王開始施法,企圖讓第一枚光幣停下,但是光幣停下的那剎那間,他低聲奇怪道:“咦,隨機性!”原來他發覺不管他用任何方法,都不能控制光幣停下時的結果。光幣停下時,朝向他的那一面結果是陽面、還是背陰完全是隨機和不可控的。他再試自己的下一枚硬幣,仍是這么,下一枚,仍是這么…
明王停手,向引力高手和量子奶奶拱手道:“果然有貓膩,看來這個宇宙比我想像得更復雜。隨機性無處不在,我似乎早已聽到這個世界的未來有無限的可能性!敬佩!”
化學學家這時也小聲叫道:“量子化學有本質上的隨機性!對
這個糾纏狀態進行觀測,會發覺
和
以相同的機率隨機出現。也就是說,明王想發給明妃一串具有確定意義的0,1序列,而且無論他怎么努力,他和明妃最后得到的都只會是一系列完全隨機的0和1組成的亂碼,明妃不可能從上面讀出任何有用的信息。”
化學學家拊掌大笑:“如果明王或則任何人能用哪些方式掌控觀測后的結果是1還是0,這么頓時超距通訊就是可行的。所以,反過來說,假若超距通訊在這個宇宙是被嚴禁的,這么就不可能有任何手段能控制該量子態檢測得到的隨機結果。”
隨后他又輕笑道:“不過明王最后手里得到的一串隨機數和明妃手里的一串隨機數雖然是完全相同的,這就是說,兩組完全相同的隨機數可以同時出現在遙遠的兩處[注1],不受任何空間和化學屏障制約,不可查獲,也不可屏蔽,這也足夠不可思議了。”他又一拍胸口,“我想到了,這個現象似乎不能拿來直接傳遞信息,并且可以拿來保密通訊啊!明王堵住檢測結果不給我們看,這么這一串隨機數在全宇宙里就是只有明王和明妃曉得的密文了。明王用一百個光幣隨機生成一百個0和1,例如…,之后他想跟明妃說:11111,這么他只須要對全宇宙廣播這樣一段明文:“第1個,第3個,第6個,第9個,第10個。”明妃看到廣播,不管身在何處,只須要掏出自己手中的那一百個編好次序的光幣量子糾纏 通訊,取出第1個,第3個,第6個,第9個,第10個來檢測一下就可以讀出11111。這是絕對保密的通信,雖然看到明文廣播,別的任何人也難以破解和監聽。其實加密方法有好多種,例如把11111和那一串隨機數按二補碼規則疊加生成一串新的字符串等…這要看明王和明妃之間如何約定加密規則了。”
[注1]從來沒有數學規則嚴禁兩組完全相同的隨機序列同時出現在遙遠的兩處。所以兩個人頭腦里總是同時冒出相同的看法,這些意義上的心靈感應也不是不可能----只要這些看法具有隨機性,不能用這些方法實現瞬時超距通信就可以了。
第二局
明王并不認命,一揮手丟掉了這批光幣,又掏出一批新的光幣來。原先,明王也并非白給,他和明妃早有約定:假如明妃收到的總是亂碼,就換另一套通信方案。
明王忽然橫飛上去,坐姿像是趴在這種硬幣之上了。模樣似乎有些滑稽,此刻在這緊張的賭約中卻透出奇特的氛圍。
化學學家湊到近前,上看下看,大喊上去:“我明白了!說究竟,你想超光速傳遞信息給他人,就必須能隔空操縱對方得到的結果,而且對方有辦法能覺察下來,之后對方就可以反推出你做了或沒做哪些操作。第一種方案的失敗就在于,明王根本就控制不了自己手里的光幣是哪些結果,更不要說操縱他人手里的結果了。”
他接著說:“根據量子熱學,光幣最后呈現的結果依賴于你觀測的方法。對于該糾纏態,當你站著平視的時侯,你觀測到的光幣狀態或則是陽面朝你(記作
)或則是背陰朝你(記作
)。而你趴著遠眺的時侯,你觀測到硬幣的狀態就成了躺下的陽面朝你(記作
),或則躺下的背陰朝你(記作
)[注2]。明王掏出一系列的幣,假如他全部采用平視檢測時,他都會得到一系列隨機出現的{
,
}態序列(注意他一直難以操縱每次測得的結果究竟是陽面還是背陰);假如他全部采用俯瞰檢測,他都會得到一系列隨機出現的{
,
}態序列。其實,因為明妃手里的幣和明王的幣糾纏在一起,明王通過采用俯瞰檢測還是平視檢測,就可以操縱明妃手里得到(明妃檢測之前)的是{
,
}態序列,還是{
,
}態序列[注3]。如果明妃有辦法分辨自己手上的是哪一組序列,這么雖然二人距離無窮遠,明妃也能頓時獲知遙遠處的明王做的是平視檢測還是俯瞰檢測,這不就完成了一次超光速通信嗎[注4]?”
化學學家思考了一會,又想到:“可惜明妃應當沒有能力分辨自己手上的是一系列隨機的{
,
}序列,還是一系列隨機的{
,
}態序列。首先,對于單個光幣,明妃沒有辦法確定它處于哪些狀態。光幣呈現的結果依賴于觀測的方法這句話對于明妃也是對的,檢測以后量子態就隨著檢測方法被改變了[注5]。所以你對每位未知量子態只有一次檢測機會,然后這個態本來的樣子就被破壞了,糾纏也消失了;而對一個態只做一次檢測,你是不可能曉得它原本是個哪些態的,比如對于某個未知的量子態,你的檢測結果是
,這么這個態在檢測之前可能正好是
,但也完全可能是
和
,雖然這幾個態都有一定機率給出檢測結果
(由于它們與
線性相關)。為此,通過單次檢測你沒法推測它原先的狀態。”
他繼續說:“既然你不能對這個態再測一次,你就只能去測下一個態,再一下個態,再下一個態…通過大量的檢測觀察統計結果有哪些規律。既然是統計檢測,你就得再度面對隨機性的問題。你會發覺,倘若是10000個光幣組成的序列,無論是隨機的{
,
}序列,還是隨機的{
,
}序列,明妃做俯瞰檢測時得到的實驗結果就會是:
,
隨機出現,平均各出現大概5000次[注6]。既然不同的序列{
,
}和{
,
}給出相同的統計檢測結果,明妃就難以反推出這種光幣在自己檢測之前究竟是哪種序列[注7]。所以在不依靠其它通信工具的前提下[注8],明妃未能得到關于明王檢測與否以及怎樣檢測的任何有效信息。明妃采用平視檢測的情況完全類似。”
[注2]從物理上說,糾纏狀態
也可以寫成
的方式。代入公式
和
,即可驗證。
[注3]我們用日常生活中的收發快件來理解糾纏態的性質。小紅用毛線織了兩只手套,隨機寄了其中一只給小黃,小黃收到是右手套,就曉得小紅留的是雙手套。這是對量子糾纏的最膚淺的理解。實際上,量子糾纏遠比這個神奇,小紅似乎沒有想好用這種毛線織手套還是織衣服,干脆把毛線加工成一個量子態,自己留著空白的發貨單。小黃收到東西之后,小紅再決定寄哪些,她在自己留下的發貨單上寫手套,打開自己留下的袋子都會看見右手套或手指套,之后她會曉得小黃收到的應當是另一只手套;內褲的情況類似。于是,雖然相隔萬里,無論袋子是否早已到小黃手里,只要小黃還沒有開箱(這點很關鍵),小紅都可以通過自己的操作頓時決定小黃袋子里是手套還是衣服(她只是不能決定收到的是左還是右)。這才是量子熱學奇特的非定域性,愛因斯坦口中的“ata”所在的語境,貝爾不方程相關的實驗就是拿來檢驗這些怪異的非局域互動是否存在的。不過這個故事里還有愈發詭異的一面,就是小黃自己也有一張簽收單,他也可以決定自己收到的是內褲還是手套。假如袋子里是內褲,而小黃簽收手套,這么開箱以后他將以1/2的機率得到右手套,1/2的機率得到手指套。也正由于此,他無從判斷自己收到手套的緣由究竟是:(1)小紅寄下來的原本就是手套;(2)自己簽收了手套。(否則超光速通信就是可行的了,對比正文內容,自行思索)。提到這兒,日常生活的手套、襪子類比早已完全跟不上節奏了,必需要去弄明白量子熱學的物理結構才行。
[注4]平視或則俯瞰,也可以看做二補碼信息。
[注5]除非量子態正好處于該檢測的本征態。不過對于糾纏中的單個粒子來說,它不可能處于某個確定的單粒子本征態,檢測以后,狀態必然被改變。
[注6]當明妃俯瞰檢測時,先考慮{
,
}隨機序列,作為全知的旁觀者,我們曉得對于
她以100%的機率測得
,對于
她以100%的機率測得
,所以10000次檢測后她得到
,
各5000次。再對比考慮{
,
}隨機序列,對于
她將以各50%的機率測得
或則
,對于
她將以各50%的機率測得
或則
,所以10000次檢測后也是得到
,
各5000次。更技術化的做法是證明這兩種態集合對應的密度矩陣
和
相等,既然密度矩陣相等,則所有統計期望值相同。進一步說,選擇不同方向的基底,該混態密度矩陣可以有無窮多種表觀方式。
[注7]讀者可自行考慮更復雜的兩粒子和多粒子糾纏態,可知在一端進行的任何操作,不會改變另一端的密度矩陣。正是因為一端的邊沿分布不依賴于另一端的操作,所以未能從一端傳遞信息給另一端。
[注8]假如容許明王打電話告知其檢測結果的話,明妃還是有辦法曉得明王究竟是采用了哪種檢測方法的。不用管檢測方法,總是把陽面記做1,背陰記做0,明王把自己的0,1字符串打個電話告知明妃,明妃對比自己的0,1字符串。假如她發覺自己的序列和明王的序列完全一致,她就曉得明王跟自己采用了同樣的檢測方法;假如她發覺自己的序列和明王的序列只有一半的情況一致,她就曉得明王和自己采用了不同的檢測方法。其實,假如中間過程明王打了電話給明妃,電話訊號不能超光速,所以整個傳遞信息的通信過程也沒有超光速。
第三局
經過再一次的失敗,明王的氣度卻絲毫沒有減緩:“很好,不過勝負還沒有定奪。”
此時,光影中也有了變化,明妃伸手一招,再看手上已多出一個物件。鏡頭拉近,居然是一個普通的激光器。明妃把手上的一個傳訊用的光幣推入激光器,激光器忽然暴射出一道光束,隱隱可見光束中居然復制出了無窮多個光幣。
化學學家做豁然大悟狀,他及時評價道:“剛才是由于每位光幣只能檢測一次,所以明妃才不得不做大量光幣的統計檢測,致使通信失敗。但是,激光器是一個挺好的光放大器,你輸入一個光幣,都會通過受激幅射誘導出大量同樣狀態的光幣。假定明妃手里的一枚待對焦幣處于態
,明妃通過單次檢測其實不可能曉得這是個哪些態了,而且假如她手上復制出大量的同樣狀態的光幣{
,
,
…}。她就可以通過反復檢測得悉這是哪些量子態[注9],因而判定出遙遠處明王所做的操作是俯瞰還是平視。雖然好多時侯你不須要如此多副本,
的精確克隆就早已足夠了,盡管你沒有辦法分辨隨機序列{
,
}和{
,
},并且如果你有能力對每位待測的量子態精確作出一個副本,這個序列就分別弄成了{
,
}和{
,
},而這兩組序列會給出不一樣的統計結果因而可以被分辨[注10]。”
只嘗試了不長的時間,光影中的明妃卻早已舍棄了。明王皺起眼眉,“難道是…不可復制?”
引力高手和量子奶奶相視一笑,剛要回答。卻不知數學學家經過長時間的自言自語,連搶答都學會了:“確實是,量子態的疊加性保證了你不能精確克隆任意一個未知的量子態,這稱作為量子不可克隆定律。這個定律簡直就是想用量子糾纏來超光速通信的克星啊。其實量子態近似克隆還是準許的,并且近似克隆中的偏差總是會抹去復制帶來的信息,雖然藥量子力學所容許的最大保真度的近似克隆方法也不可能實現超光速通信[注11,注12]。激光器對光幣的拷貝就是
的近似克隆,雖然激光器會通過受激幅射發射出好多同樣狀態的光幣,但其還總是伴隨著自發幅射的過程,隨機發射出好多不同狀態的光幣,進而破壞掉你查知原狀態的能力[注13]。有趣的是,自發幅射和受激幅射理論最早是愛因斯坦提出來的,可見即使愛因斯坦指責量子糾纏的奇特非定域性,并且在嚴禁超光速通信這件事情上,無意間還是站在了量子糾纏的一邊啊。”
化學學家步入冥思狀態,片刻然后掙開雙眼,述說著:“我始終在根據波函數塌縮的觀點來看,是明王的檢測結果導致了明妃手中的光幣狀態的改變,所以我以為明王是因,明妃是果。而且依照相對論的觀點,在個別參考系的人看來[注14]明妃檢測在先,是明妃的檢測結果導致了明王手里光幣狀態(及以后檢測結果)的改變,所以明妃是因,明王是果。而事實上,假如不抱著這先入為主的觀點,單從二者的實驗數據[注15]來看,根本沒法分辨誰先檢測、誰后檢測,也就是說,真實的只是量子糾纏帶來的實驗結果中的關聯性[注16],至于誰先誰后、誰因誰果,那只是人為賦于的解釋[注17]。波函數塌縮作為一種易于理解的圖象,并不代表一般的精典意義上的數學過程,但是這些全空間頓時改變分布的塌縮圖象常常會帶來因果性和相對論同時性等各類問題[注18]。其實更合理的解釋是,無論在時空上相隔多遠,兩個糾纏的光幣在邏輯上都是不可分割的,量子糾纏保證了它們檢測結果之間的關聯性或同一性,你上我上,你下我下;你左我左,你右我右。在糾纏的兩個粒子眼中,時空顯然根本就不存在[注19],這些現象的癥結以人類目前的知識能力還未能追問,將來要真正理解這些反直覺的趕超時空的非局域關聯性,即便只能依靠于超出時空之外的某種化學內容了吧!”
對于這個化學學家之前的自言自語,幾位高手基本都是無視的,但是當他忽然說出這句“時空之外”時,引力高手和量子奶奶總算朝他投去了意味深長的眼光。
明王這時笑道:“引力高手和量子奶奶好設計,果然滴水不漏。不用量子糾纏來超光速通信也罷,不過莫非我還沒有別的手段了嗎?”
明王談笑間周身的威勢彌漫開來,整個空間如同都承受了極大的壓力,空無一物的真空中竟像是重于千鈞。引力高手和量子奶奶臉色陰郁,不敢怠慢。大街神妙,雖然二人巧思萬千,就真的擋住了所有的規則漏洞嗎?
[注9]假如她對這種態采用俯瞰檢測,每一次就會得到陽面;采用平視檢測,陽面背陰各一半機率出現。于是,她就可以判定手上的態是
了。
[注10]請自行思索能分辨這兩組隨機態序列的檢測方案。
[注11]諸如
的最佳通用量子克隆方案為
,其中,
,
。讀者可自行驗證,按這些方法把序列{
,
}和{
,
}分別克隆以后得到的兩組新的態集合仍舊是難以分辨的。
[注12]值得一提的,中科大的郭、段兩位老師曾提出過一個以一定幾率精確克隆量子態的方案,稱為機率量子克隆。因為該方案只能針對線性無關的態集合達到精確克隆,所以假如有人想用這個方案來達到超光速通信的目的也是不行的。
[注13]可參考:L.,304,188(1983);Simon,Weihs,andAnton,Phys.Rev.Lett.84,2993(2000),Acta49,No.4,755(1999).
[注14]按照相對論,當兩個風波為類空間隔時,其時間先后次序不是絕對的,不同的觀察者可以看見這兩個風波以不同的時序發生。
[注15]實驗數據是:當明王和明妃檢測方向相同時(都仰視或都平視),檢測結果是完全相同的隨機序列;當檢測方向不同時,她們的檢測結果只有一半的機率相同。這個結果無論從明王還是明妃的角度來看都是一樣的。
[注16]人類習慣于聽到關聯就去找因果,不過關聯性未必意味著因果性。類空間隔的兩個時空風波之間原本也不應當有因果聯系。
[注17]從小紅和小黃寄快件的那種反例來說,如果結果是小紅和小黃開箱后都收到手套,你也完全可以反過來覺得是由于小黃簽收手套,所以導致了小紅留在手里的也是手套。這樣也完全解釋得通。也可參考:A.andV.,Phys.Lett.A,232,9(1997)[quant-ph/];A.,H.,N.Gisin,A.,,88(2002),.誰先誰后并不會影響糾纏帶來的實驗結果。
[注18]例如有人會問這樣的問題。A的檢測造成波函數塌縮,于是B手里的粒子瞬時或則同時就改變了狀態,這么請問,這個“同時改變狀態”是相對那個參考系的“同時”?(等價于問量子塌縮有沒有特權參考系。)事實上,這并不是一個“對”的問題。
[注19]參見J.D.,et.al.,8,867(2012),其中說明了量子糾纏的“詭異互動”如果存在傳遞速率,則該速率必然是無窮大,而不是某種特別大但有限的速率。按照Gisin的觀點,無限制的速率意味著影響作用可以頓時抵達時空的任意區域,這實際等于認同了這些影響作用似乎并不在我們所在的空間傳播。
尾聲
在遙遠的月球上,某剎那間如同心靈感應通常,你抬頭看向星空,一道亮光一閃而逝,隨后幾個外星使者出現在你的面前。
她們告訴你:她們星體的公主曾與附近一個星體的王子結婚,已婚夫是一個科學狂人,一年多前做實驗時,一個電子的狀態改變觸發了整個反應設施,致使他所在的整個星球都被炸毀。那種電子和你腦中的一個電子是糾纏在一起的,而當時你正在遲疑早餐是吃大蒜還是地瓜。假如你當時決定的是芥菜,已婚夫能夠活;你決定的是萵筍,已婚夫都會死。可惜最后你決定的是萵筍。
公主的全息影像浮在眼前,似遠還近,若即若離,髣髴兮若輕云之蔽月,飄飖兮若流風之回雪。
使者說:“公主要求你必須為她負責。”
每位看客都已讀出故事中命定的緣份。但是剛認真學習和思索了本文的你,正色回答道:“吃大蒜還是地瓜是隨機決定的,王子的死活也是由電子的狀態隨機決定的,量子糾纏只是保證了兩個結果之間的同一性而不是因果性,所以我吃西紅柿并不是王子死亡的誘因。”
飛船走了,留下你注定孤單一生的思索…
END