量子糾纏能超越光速嗎,能否用來傳輸信息?

秦羽


謝邀。量子糾纏被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”,因為這種現象似乎違背了狹義相對論所說的光速不可超越。在量子力學看來,如果一對粒子發生糾纏,即便把它們分隔很遠的距離,例如,一個在太陽系中,另一個在25光年外的織女星系統中,只要對太陽系中的粒子進行測量,確定該粒子的狀態,我們立馬就能知道織女星系統中的那個粒子的對應狀態。可以看到,這樣的過程並沒有傳遞任何信息,儘管我們獲知另一個粒子狀態的速度是超光速。根據狹義相對論,不可超光速的是有效信息的傳輸速度,所以上述過程並不會有悖於狹義相對論。

關於量子糾纏的現象,可以舉個很簡單的例子,把一雙鞋子中的兩隻分別放入兩個不透明的盒子中,一個盒子放在太陽系中,另一個盒子送到25光年外的織女星系統中。在盒子沒有打開之前,我們不知道哪個盒子中裝得鞋子是左腳,哪個是右腳。當我們打開太陽系中的盒子時,我們就會知道這隻鞋子是左腳還是右腳,與此同時,我們也能瞬間知道25光年外的那隻盒子中裝得是哪隻腳的鞋子。

綜上,量子糾纏並不能直接用來傳遞信息。但由於量子狀態的隨機性,它們可以被用來進行量子加密通信,而這種信息的傳輸依賴於電磁波,它們的傳播速度是光速,而非超光速。量子糾纏的作用是用於加密通信,而不是瞬時通信。


火星一號


題主的問題涉及到三個問題。第一,什麼叫信息傳輸,如何用動力學方程來描述這一過程;第二,什麼是是量子糾纏,量子糾纏的動力學描述又是什麼;第三,量子糾纏和信息又是什麼關係。這三個問題如果我們不搞清楚,那麼一切討論都無異於在開玩笑。

我們知道物質輸運,也有很好的物理動力學方程去描述物質輸運。那什麼是信息的傳輸。如果類比於物質輸運,那麼就是信息由空間某點向空間另一個傳播的過程。這裡面涉及一個問題,這個問題就是“如何度量信息”,這個問題不討論,題主感興趣可以閱讀信息論相關書籍。一個不用質疑的事情就是,信息輸運離不開物質的輸運(嚴格說還要包括場的傳播,但是為了表述方便,我這裡面的物質包含物理學上的“物質”和“場”兩個概念)。物質輸運一定要受到一些限制,因此信息輸運也必定受到限制。但我要強調,這種限制是一般意義上的,絕對不限制於量子物理學還是非量子物理學(即經典物理學)!

現在我們轉向量子糾纏之間的超距問題。愛因斯坦認為,量子糾纏是鬼魅的“超距作用”。那麼作為捍衛量子力學一派的人就應該反問愛因斯坦,如何在證明量子糾纏之間的相互作用是“超距的”?牛頓引力論是超距的,這個證明極其簡單——拉普拉斯方程無時間偏導數項,所以牛頓引力是超距的。但是量子糾纏的動力學方程是什麼?愛因斯坦沒有給出。也就是說,愛因斯坦僅僅是指出了量子糾纏可能是超距的,卻沒有給出十分令人信服的證明。用玻爾的“測量才能存在”觀點就可以直接否定愛因斯坦的質疑!

沒有動力學方程的描述,量子糾纏超距也好、非超距也好,根本就是“公說公有理婆說婆有理”(也可以理解為“公說公沒理婆說婆沒理”)。不僅如此,我們一樣可以考慮波函數塌縮是超光速的嗎?這個問題一樣說不清楚,因為也缺少動力學方程去描述塌縮。不要以為感覺就是對的,感覺從來就是不可信的。只有精確的方程來能說明問題。換句話說,費曼那句“無人可以理解量子力學”是有道理的!因為量子力學裡面大量的問題都是說不清楚的,這又如何讓人準確理解量子力學呢?

量子糾纏是超距的,這句話我覺得不對!應該是量子力學描述的量子糾纏可以理解為是“超距的”。或者說歸根到底,量子力學就沒有準確地描述量子糾纏!為此,有一些學者企圖發展“廣義量子力學”來徹底解決這個問題,給出量子糾纏的準確描述和動力學方程。廣義量子力學還要解決波函數-概率悖論(決定論的方程——薛定諤方程——給出了非決定論的結果——概率,這明顯是悖論)。

量子糾纏能不能傳遞信息?單純地看,量子糾纏就是兩個粒子之間的狀態存在一種綁定,知道一個粒子的狀態就能立刻知道另一個粒子的狀態。那麼將兩個糾纏的粒子分別放在空間上不同的兩點,取兩個觀察者分別觀察兩個粒子。一個觀察者先觀察一個粒子,該粒子的狀態會因為觀察而塌縮到某一個量子力學態上。由於量子糾纏,所以另一個粒子的狀態就會因這一次觀察而確定下來。另一個觀察者不需要去問前一個觀察者“您觀察到的是什麼啊”,只要觀察另一個粒子就行了前一個觀察者觀察到的東西。看起來,量子糾纏確實傳遞了信息。但是請問,如何確定兩個粒子是量子糾纏的?觀察者必定要先測量兩個粒子來確定它們的的確確是處於糾纏態,那麼根據波函數塌縮理論,兩個粒子的狀態其實在確定量子糾纏的測量中(即正式實驗之前的預實驗)根本就被確定下來了。按照信息論的觀點來說,信息的實質是反映確定性的增加。那麼確定的東西還從哪增加確定性呢?故信息從來沒有通過粒子的量子糾纏實現傳遞!或者說,能傳遞信息的其實是測量本身,而不是量子糾纏!所以,按照量子力學的詮釋理論,量子糾纏不能傳遞信息!

【有人問,測量會導致波函數塌縮,那麼測量以後放一段時間,粒子會不會又回到了隨機狀態從而使得量子糾纏可以傳遞信息呢?如果會,那麼請問粒子的量子糾纏態又如何能保證呢?如果不能就得再次對兩個粒子進行測量。如果能,那麼由於隨機性而根本無法使確定性獲得增加。】


科學聯盟


首先量子糾纏是多體量子疊加態,它的波函數可以分佈在全空間,在某個點測量這個量子糾纏會導致波函數的全空間塌縮,這個塌縮的速度可以認為是超光速的。因此兩個粒子形成量子糾纏並分發很遠,它們的波函數還是全空間糾纏在一起,測量其中一個的狀態得到結果時,另一個也會同時得到結果。

但需要注意的是,純靠量子糾纏是不能夠傳遞信息的,無論是經典比特還是量子比特。有人會問如果事先把這兩個糾纏量子相互遠離,把要傳的信息給第一個量子編碼,當讓第一個量子取確定值0時,第二個量子馬上變成確定值1,第一個量子取確定值1時,第二個量子馬上變成確定值0,這樣不就可以傳信息了嗎?想法很好,但是這個操作是錯的。因為想讓一個量子取確定值,你必須去測量它。對第一個量子來說,假設它在0和1各有一半的概率,你測量N次,只有N/2次的概率塌縮到你想要的確定值。所以發送方要挑選測量結果對的N/2個來編碼,因為測量結果是隨機的,但接收方沒辦法知道你到底挑的哪一半來編碼,這就完全沒法發傳遞信息了。

所以想利用量子糾纏來傳遞信息,必須有經典通信來配合。通過經典信道,接收方才知道該挑哪些測量結果,這樣才能實現信息傳遞。由於經典通信是沒辦法超光速的,它就限制了量子糾纏傳遞信息不能超光速。


九維空間


目前可確認的糾纏態實驗都是製備的量子糾纏,而製備本身需要有效的信息傳遞,這個有效傳遞受制於光速。所以就人類能夠達到的科學和技術水平而言,恐怕無法運用量子糾纏實現超越光速的信息傳遞。


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