量子技术能否大变活人?

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  今天我们来详细谈谈量子纠缠和瞬间传送这两个问题。


  什么是量子纠缠?

  量子纠缠概念是在爱因斯坦和玻尔之间进行的著名论战中产生的。爱因斯坦是量子力学的奠基人之一,光子这个概念就是他在20世纪初首先提出的。20世纪20年代,量子力学迎来了革命性的发展,以丹麦物理学家玻尔、德国物理学家海森堡等人领导的哥本哈根学派,认为粒子的状态在测量之前是不确定的,处于多种可能状态的“叠加之中”,这种状态被称为“叠加态”。只有当我们去测量粒子到底处于什么状态时,粒子才会随机地进入某一个确定的状态。


  爱因斯坦却认为粒子的状态从始至终都应该是确定的,只不过当前的量子力学还不完善,并表示“上帝不掷骰子”。所以,多年来,爱因斯坦一直不断对量子力学发起挑战,辩论的对手则是他的好友玻尔。爱因斯坦发起的最后一次也是最为厉害的挑战,发生在1935年。当时,爱因斯坦和他的两位同事共同撰写了一篇论文,证明了当前的量子力学是有问题的,因为量子力学可以推导出一个看似不可能结论:两个粒子经过短暂的彼此相互作用之后,测量其中一个粒子的状态会不可避免地瞬间影响到另一个粒子的状态,而不管它们之间相隔有多远。这种现象在后来被称为量子纠缠。爱因斯坦认为,粒子之间的瞬间影响是不可能的,因为狭义相对论已经对物体之间传递的信息速度设定了限制——不可超过光速。

  然而,实验反复证明了量子纠缠确实存在。对于许多外行来说,这听起来好像量子纠缠可以把想要发送的消息从一个地方瞬间传到另一个地方,来实现超光速通信,但事实并非如此。对处于纠缠中的一个粒子进行测量,其测量的结果是完全随机的,你是无法控制的,而且进行完测量后,两个粒子的纠缠状态就被破坏掉了。所以,你无法利用量子纠缠来实现超光速通信。

  如何实现瞬间传递?

  那么,量子纠缠是怎么实现瞬间传送的呢?1993年,在加拿大蒙特利尔的一个研讨会上,一些物理学家提出,量子纠缠虽然无法实现超光速通信,但可以借助它把一个粒子的状态瞬间传送给了另一个种类相同的粒子身上,使得另一个粒子表现得跟第一个粒子一样,前提是没有人知晓所传送的这个状态究竟是什么。

  这种瞬间传送并不会传送任何物质或能量,只是传送了某种“不为人知”的状态,所以,这种技术通常被称为“量子隐形传态”。下面,我们就来了解一下实现量子隐形传态的大致步骤。


  量子隐形传态需要使用三个粒子,涉及到两个地点。首先将粒子A和粒子B纠缠在一起,以建立传送通道。假设粒子A位于北京,而粒子B被发送到另一个地点,比如上海。北京那里还有一个粒子C,与粒子B的种类相同。粒子C的状态就是所要进行传送的状态,但没人知晓这个状态究竟是什么。

  为了进行量子隐形传态,北京的一方会对粒子A与C一起进行了一种特殊的测量,称为贝尔测量。

  贝尔测量对普通人来说是比较难以理解的,我们无需知道其细节,只需要知道,测量结果虽然包含一些信息,比如关于粒子的自旋或速度等信息,但不能告诉粒子C原来处于什么状态。此外,这种测量会影响粒子C原来的状态,并使粒子A和粒子B不再互为纠缠,但粒子A与C却纠缠在一起了。

  上海的粒子B会因此发生相应的改变,当前的状态应该与粒子C原来的状态存在一定的联系。上海的一方应用正确的操作,就可以把粒子B的状态变成粒子C原来的状态。

  但是,上海的一方需要应用什么操作来完成量子隐形传态呢?他可以从北京所进行的贝尔测量结果中推断出这一点。北京的一方必须用一些经典的信息传递方式把这个结果传达给上海——电子邮件、电话、信鸽以及其他任何可行的通信方式。一旦得到了测量结果,上海的一方就知道如何对粒子B进行操作,来把它的状态变成粒子C原来的状态。


  究竟超光速了吗?

  许多人认为,量子隐形传态是一种新的信息传输方式,通过这种方式可以使信息传播速度超越光速,我们可以跟离地球500万光年之外的星球即时通话。这是完全错误的!通过测量让各个粒子的状态确实可以瞬间改变,但这并不能传递信息。要想有效传递信息,仍然必须要通过经典的通信,而经典通信不能超过光速。

  量子隐形传态是将一个粒子的状态转移到另一个相同种类的粒子上,同时擦除原始粒子的状态。这与真正的瞬间传送的区别在于:量子隐形传态并没有发生真正的传送,没有传送任何物理实体,它只是把一个粒子状态的“信息”借助量子纠缠传送出去了,而且从始至终我们都不知道这个信息的具体内容。


  将来能传送人吗?

  为了成功地瞬间传送一个物体,传送装置必须精确复制每个粒子的状态。如果没有,传输的版本会有细微的不同。例如,喜气洋洋的你可能传送完之后,会变为一个唉声叹气的你,或者更糟的是,你可能会变成一堆灰尘。

  然而,即使我们能够精确复制每个粒子的状态,也不可能在不改变粒子原来状态的情况下,获悉粒子精确的状态。因为复制的前提是对粒子进行测量,而根据海森堡测不准原理,测量一般会改变该粒子的量子状态。这意味着,你不可能制造出一个完美的粒子复制品,并且不破坏原来的粒子状态。这个结论被称为“不可克隆原理”,物理学家在20世纪80年代在理论上证明了这一点。

  在量子隐形传态中,粒子C原来的状态被摧毁了,然后粒子B会变为与粒子C原来状态完全一样的粒子,因此,这个过程也同样遵循了不可克隆原理。也就是说,假设在未来,人们可以借助量子隐形传态传送更为复杂的物体,甚至能传送人,但这种技术都会破坏掉原来的物体或人。例如,把你从北京传送到上海,那么会首先在北京把你摧毁掉,然后在上海那里复制出一个你。真正的你已经死了,活着的只是你的一个复制品,所以在未来哪位疯狂科学家邀请你体验量子隐形传态,可千万别去尝试。

  耗时耗电的瞬间传送

  即使不考虑你会被传送装置杀死的问题,传送装置所消耗的时间和能量也是惊人的。人体包含大约7×1027个原子。想象一下传送装置可以每秒处理一万亿个原子,扫描整个人仍然需要7×1015秒,也就是大约2亿年!传输大量的数据需要大量的电能,保守估计大约是1018千兆瓦时。中国在2017年总发电量为6.5万亿千瓦时,这意味着传送一个人需要的电能相当于中国所有发电站持续发电超过15万年。

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