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量子糾纏到底是什麼呢?
想象你有兩枚硬幣,每一枚都有不同的正面或背面,你拿著一枚我拿著一枚,我們彼此距離非常遠.我們在空中拋擲它們,接住,拍在桌子上.當我們拿開手查看結果時,我們預期各自看到"正面"的概率是50%,各自得到"背面"的概率也是50%.在普通的非糾纏宇宙中,你的結果和我的結果完全相互獨立:如果你得到了一個"正面"結果,我的硬幣顯示為"正面"或"背面"的概率仍然各為50%,但是在某些情況下,這些結果會相互糾纏,也就是說,如果我們做這個實驗,而你得到了"正面"結果,那麼不用我來告訴你,你就會瞬間100%肯定我的硬幣會顯示為"背面",即使我們相隔數光年而連1秒鍾都還沒有過去.
在量子物理中,我們通常糾纏的不是硬幣而是單個的粒子,例如電子或光子等.例如,每個光子自旋+1或-1,如果兩個光子互相糾纏,你測量它們中一個的自旋,就能瞬間知道另外一個的自旋,即使它跨過了半個宇宙.在你測量任一個粒子的自旋前,它們都以不確定狀態存在;但是一旦你測量了其中一個,兩者就都立刻知曉了.我們已經在地球上做了一個實驗,實驗中我們將兩個糾纏光子分開很多千米,在數納秒的間隔內測量它們的自旋.我們發現,如果測量發現它們其中一個自旋是+1,我們知曉另一個是-1的速度至少比以光速進行通信快10000倍.
創造兩個互相糾纏的光子以後,哪怕將它們分開很遠,我們也可以通過測量其中一個的狀態來得知關于另一個的信息.
現在回到問題:我們可以利用量子糾纏的該特性實現與遙遠恒星系統的通信嗎?回答是肯定的,如果你認為從遙遠的地方進行測量也算是一種"通信"的話.但是,一般我們所說的"通信",通常是想要知道你的目標的情況.例如,你可以讓一個糾纏粒子保持著不確定狀態,搭載上前往最近恒星的宇宙飛船上,然後命令飛船在那個恒星的宜居帶尋找岩石行星的蹤跡.如果找到了,就進行一次測量使所攜帶的粒子處于+1態,如果沒有找到,就進行一次測量使所攜帶的粒子處于-1態.
因此,你推測,當飛船進行測量時,如果留在地球上的粒子呈現為-1態,你就知道宇宙飛船在宜居帶發現了一顆岩石行星;留在地球上的粒子會呈現為+1態,就告訴你宇宙飛船還沒有發現行星.如果你知道飛船已經進行了測量,你應該可以自己測量留在地球上的粒子,並立即知道另一個粒子的狀態,即使它遠在許多光年外.
這是一個聰明的計劃,但是有一個問題:只有你詢問一個粒子"你處于什麼狀態?"(也就是說測量)時糾纏才起作用,但如果你對一個糾纏態粒子實施測量,迫使它成為一個特定的狀態,你就破壞了糾纏,你在地球上做的測量與在遙遠恒星旁做的測量就完全不相關了.如果在遠處進行一次測量,讓粒子的狀態為+1,當然在地球上測量出結果就是-1,從而告訴你遠在數光年外的粒子的信息.但你不可能在測量的過程中不破壞糾纏,而一旦糾纏被破壞,那就意味著,不管結果如何,你在地球上的粒子為+1或-1的概率都是50%,和若干光年外的粒子再沒有關系.
好比,我和我朋友,各在天邊,但手里個持一個量子硬幣,他們一定一正一反.我可以通過我手里的硬幣,知道對方的硬幣狀態.但我不能通過改變手里的硬幣,從而改變我朋友手里的硬幣(改是可以,但結果是隨機的.就像三體所說的打台球,被擊打的台球是任意方向飛出去,只服從概率,不服從物理規律).現在的量子通訊好像是另外一回事,好比是被發現了一個規律,同時打兩個台球,兩個台球的方向雖然是任意的,但是這兩個台球的夾角中心正是擊球的方向.那麼建立兩條鏈路,其中一條是普通鏈路,用于告知對方另外一個球的方向.這樣,真正的接收方可以通過量子態的台球方向和穿過來的另一個台球方向,得到有用信息(擊球的角度).而竊聽方無法得到量子態,所以無法竊聽.有點羅嗦了,還是回到硬幣.我和朋友各有一個魔法硬幣(a和a\'),他們永遠保持一個正,另一個是反的特性.我想控制硬幣的正反面,傳遞消息給我的朋友;但做不到,我不管怎麼小心的把硬幣放桌子上,硬幣堅持它的隨機性,不確定的出現正面和反面.朋友自然沒辦法知道我傳遞給他的信息.後來我又找到一枚魔法硬幣(b),這枚硬幣有新的特性.就是我朝上一起扔它們(a和b),它們一定相同面;朝下扔它們,它們一定不同面.這樣,我通過打電話告訴我的朋友,每次扔硬幣以後,硬幣b的狀態.我朋友就知道我每次是怎麼扔的硬幣.雖然通訊速度還是打電話的速度,但是絕對保密.(未完待續.)