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零基础诺奖科普:贝尔不等式被推翻,信息就能超光速传递了吗?

黄水机 中科院物理所 2022-12-04

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引言

The Nobel Prize

2022年诺贝尔物理学奖已于前日公布,今年的诺奖由量子信息领域的三位科学家获得。量子世界并没有那么容易理解,虽然大部分关注诺奖的人可能并不具备量子力学基础,却仍然对量子世界的反常识现象津津乐道。信息能否超光速传递?爱因斯坦的相对论是不是被推翻了?作为物理所的小编,我认为我有义务用通俗的语言向没有量子力学基础的读者解释它,让大家都能看懂今年的诺奖,所以就有了这篇文章。


相对论的定域性


我们知道牛顿力学,也知道牛顿力学是有局限的:它无法解释微观粒子的运动,所以我们需要量子力学。量子力学里最著名的思想实验大概应该是薛定谔的猫,其中最核心的观点是:猫可以处于既活又死的叠加状态,我们只能用概率描述它,比如90%活10%死,或者50%活50%死。这显然严重违背常理:一只猫要么是活的,要么是死的,怎么可能是90%活10%死呢?爱因斯坦就不认可叠加态的存在。他认为这个世界应该具有定域性,而叠加态会导致超距作用。



那么,什么是定域性呢?比如有个苹果刚刚从桌上掉到了地上,那么我们认为它运动的原因是它周围物体和它之间的相互作用:比如受到了地球的引力,或者被熊孩子丢了下去,而不是因为M78星云发生了大爆炸。因为距离太过遥远,我们“理所当然”地忽略了M78星云对这个苹果的影响。这就是定域性。


图源:Pixabay


牛顿力学和爱因斯坦的相对论都是定域性的,即使是看不见摸不着的磁力,也要通过磁场来传播。相对论告诉我们:任何物体或粒子的速度不能超过真空光速,任何相互作用的传播速度也不能超过光速,因此传播速度超过光速的相互作用,也就是我们上面提到过的超距作用,是不存在的。


爱因斯坦的质疑


爱因斯坦曾经试图推翻量子力学,但失败了。因此,他改为质疑量子力学的完备性,也就是说,爱因斯坦认为量子力学是不完整,有缺陷的。为此,爱因斯坦和波多尔斯基、罗森共同提出了用三人首字母命名的EPR佯谬。既然叫佯谬,那也就是说我们现在知道它并不是谬。我们先来看下它的内容。



假定一个大粒子分裂成两个小粒子,并向相反的两个方向飞去,而每个小粒子的自旋(无需在意,它只是粒子的一种固有属性)只有两种可能的取向:向上或者向下。根据守恒律,这两个粒子的自旋必须得是一上一下才行。那么在测量之前,量子力学认为这两个粒子都处于既上又下的叠加状态,概率各为50%。


虽然两个粒子相隔十分遥远,但只要我们测量其中一个粒子的自旋,就能立刻知道另一个粒子的自旋取向。然而,此时另一个粒子应该仍处于叠加态,除非两个粒子之间存在某种关联,让被观测的粒子给另一个粒子发信号才行,这个信号自然属于超距作用。但根据相对论,超距作用是不可能的,因此量子力学要么是有缺陷的,要么是违背相对论的。但相对论已经经过了反复的验证,所以量子力学是不完备的。

猫猫的鱼干处于两种叠加态。在上方的叠加态中,两个鱼干要么都是上,要么都是下,两种情况的概率都是50%。


对于EPR,爱因斯坦抛出了隐变量理论来解释它。隐变量理论是说,应当存在一个更完整的理论描述和若干未被察觉的隐藏变量,而量子力学只是这个理论的一部分。例如,一般我们认为掷骰子的结果是随机的,那是因为我们没有考虑初始状态,手的形状,空气阻力,运动轨迹,风速等隐变量。如果能够全部考虑到的话,掷骰子的结果应当是确定的。类似地,爱因斯坦认为隐变量理论可以消除量子力学的随机性。


图源:Pixabay


让我们回到EPR。隐变量理论认为,粒子总是携带可以决定自旋观测结果的隐藏信息。我们可以把分开的两个粒子比作一副手套,左右手的区别就是所谓的隐变量。因此,当它们分开的时候,其自旋的方向就已经被隐变量决定了,这样自然就不存在超距作用了。


爱因斯坦认为,一个完备的理论必须满足两个条件:

1,定域性

2,存在性,也就是说任何物理量在被观测前就应该有一个客观存在的值,这个值和是否被观测无关。比如说,上学期你量子力学的成绩是100,无论你去不去查分,你的成绩都具有100这个客观存在的值,这就是存在性。


在当时的实验条件下,EPR佯谬是无法被实验验证的,爱因斯坦直到去世都相信着隐变量理论,但事实真是如此吗?


贝尔不等式的违背


1964年,为了验证隐变量和量子力学谁对谁错,贝尔设计了一个理想实验。他成功地将EPR中两个粒子的相关性用关联函数定量地描述了出来。他发现,基于经典理论,也就是在爱因斯坦所强调的定域存在性的理论框架下,这个关联具有一个最大值,这就是大名鼎鼎的贝尔不等式。如果隐变量理论是正确的,那么贝尔不等式就一定成立,但量子力学可以违背这一不等式,因为量子力学所预言的最大关联值比隐变量理论要高。

简单放一下贝尔不等式,但我知道你不会看


贝尔不等式固然重要,但它只是一个判据。如果没有实验的验证,贝尔不等式就没有意义。在贝尔不等式的实验验证中,有三位科学家做出了突出的贡献。


首先是约翰·克劳泽等,他们提出了一个用纠缠态光子来检验贝尔不等式的可行的实验方案,并在1972年获得了与量子力学一致,违反贝尔不等式的结果。但这一实验存在一个严重漏洞:不能保证系统里不含预先的信息阿兰·阿斯佩建立了一个新的装置,并反复进行了完善以确保系统里不含预先信息,补上了这一漏洞。而安东·塞林格研究了多粒子纠缠系统,并对贝尔不等式做了更多测试。最终,科学家得出结论:实验确实得到了违背贝尔不等式的结果,量子力学是正确的!这三位科学家也因此分享了今年的诺贝尔物理学奖。



“超光速”的量子纠缠


现在我们知道量子力学是正确的,EPR粒子之间真的存在某种“超距”的关联,现在我们管它叫量子纠缠纠缠状态中的粒子无法被单独描述,我们只能描述系统整体的性质。量子纠缠告诉我们,这个世界并不是定域性的。那么,超距作用真的存在吗?相对论因此被推翻了吗?答案是否定的,因为量子纠缠不是相互作用,也不能单独传递信息。


这是因为,在观测之前,你不可能知道一个粒子是否仍处于纠缠态,也即与之纠缠的粒子是否已经被观测过,所以无法从另一个粒子处得到任何信息。除非我们能复制若干个粒子,然后观测它们并统计结果。但量子力学告诉我们:量子态是不可复制的。


所以,如果你不能通过经典的方式,比如打电话发微信这些非量子的通信方式来获得额外信息,就不能从量子纠缠中获得任何信息。而这些通信方式当然不能突破光速。


图源:Pixabay


但如果我们能通过经典的方式获得额外信息,就可以利用量子纠缠来传递信息,这就是我们现在所说的量子通信


利用量子纠缠,我们可以将任意未知量子态传递至其他位置,而无需观测它。这一过程不传递物质和能量,之后信息通过经典的方式传递,传递后原有的量子态会被破坏,我们叫它量子隐形传态,首次进行量子隐形传态验证实验的科学家正是我们刚提到的安东·塞林格。


今年诺奖委员会的报道是这么写的:“……以表彰他们在纠缠态光子实验、对贝尔不等式的验证以及在量子信息科学领域的前沿性突破。”如果各位读到这里能够看懂这句话,那就是我写这篇文章的荣幸。


注:本文为通俗性省略了许多内容,并牺牲了部分严谨性。


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编辑:黄水机、藏痴


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