即使有量子纠缠，也不存在比光速更快的通信

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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光子盒研究院

自爱因斯坦在1905年首次提出以来，物理学最基本的规则之一就是：任何类型的信息在宇宙中的传播速度都不能超过光速。

无论是有质量还是无质量的粒子，都需要将信息从一个地方传输到另一个地方，而这些粒子的传播速度必须低于光速（对于有质量的粒子）或达到光速（对于无质量的粒子），正如相对论规则所规定的那样。也许可以利用弯曲空间让这些信息载体走“捷径”，但它们仍然必须以光速或低于光速的速度在空间中穿行。

然而，自量子力学发展以来，许多人试图利用量子纠缠的力量来颠覆这一规则。人们设计了许多巧妙的方案，试图通过“欺骗”相对论来传输信息，从而实现超光速通信。尽管绕开宇宙规则的尝试令人钦佩，但每一个方案不仅都失败了；而且事实证明，所有这些方案都注定要失败。

——即使有了量子纠缠，超光速通信在我们的宇宙中仍然是不可能的。

从概念上讲，量子纠缠是一个简单的概念。可以先想象一下经典宇宙和最简单的“随机”实验：掷硬币。如果你和我都有一枚公平的硬币并掷它，我们都会认为我们每人得到正面和反面的概率各为50/50。你的结果和我的结果不仅应该是随机的，而且应该是独立的、不相关的：不管你掷硬币的结果是正面还是反面，我得到正面或反面的概率都应该是50/50。

但是，如果这不是一个经典系统，而是一个量子系统，那么你的硬币和我的硬币就有可能纠缠在一起。我们每个人可能仍然有50/50的机会得到正面或反面，但如果你掷硬币并测出正面，你将立即能够以优于50/50的准确率统计地预测我的硬币是正面还是反面。这就是量子纠缠的主要思想：两个纠缠的量子之间存在相关性；这意味着如果实际测量其中一个量子的量子状态，另一个量子的状态并不能立即确定，而是可以收集到一些关于它的概率信息。

在量子物理学中，存在一种被称为量子纠缠的现象，即你创造了一个以上的量子粒子（每个粒子都有自己独立的量子态），而这两个量子态的总和中有一些重要的东西是已知的。这就好像有一条无形的线将这两个量子连接起来（或者说，如果根据量子力学定律将两枚硬币纠缠在一起，那就是你的硬币和我的硬币），当我们中的一个人对我们手中的硬币进行测量时，我们就能立即知道另一枚硬币的状态，而这超出了我们所熟悉的“经典随机性”。

虽然这听起来像是纯理论工作，但几十年来它一直属于实验范畴。我们创造了一对纠缠的量子（具体地说是光子），然后将它们彼此远离，直到它们被分开很远的距离，然后我们有两个独立的测量仪器来告诉我们每个粒子的量子态是什么。我们尽可能同时进行这些测量，然后一起比较我们的结果。

这些实验意义深远，相关研究也获得了2022年诺贝尔物理学奖。

我们发现，也许你的硬币和我的硬币（或者，你的光子自旋和我的光子自旋）的结果是相互关联的！在进行这些关键测量之前，我们已经将两个光子分开了数百公里，然后在纳秒级的时间内测量了它们的量子态。如果其中一个光子的自旋为+1，那么另一个光子的状态就可以被预测到大约75%的准确率，而不是经典的50%。

此外，关于另一个粒子自旋的信息可以在瞬间知道，而不是等待另一个测量仪器将信号结果发送给我们，这需要大约一毫秒的时间。从表面上看，我们似乎可以知道纠缠实验另一端的一些信息，不仅比光速快，而且至少比光速快数万倍。然而，这是否意味着信息正在以比光速更快的速度传输？

通过从一个预先存在的系统中产生两个纠缠光子，并将它们分开很远的距离，我们可以通过测量另一个光子的状态来“传送”关于其中一个光子状态的信息，即使是从相距很远的位置。

从表面上看，信息传递的速度可能真的比光速还快。举例来说，我们可以尝试编造一个符合以下设置的实验：

- 在一个（源）位置准备大量纠缠的量子粒子。

- 将其中一组纠缠对传送到很远的地方（目的地），同时将另一组纠缠粒子保留在源点。

- 让目的地的观察者寻找某种信号，并迫使它们的纠缠粒子进入+1态（正信号）或-1态（负信号）。

- 然后在源端对纠缠对进行测量，并以超过50/50的可能性确定目的地观察者选择的状态。

如果这种设置有效，我们就真的能够知道远方目的地的观察者是否强迫他们的纠缠对进入+1或-1状态，只需在远方打破纠缠后测量粒子对即可。

这似乎是实现超光速通信的绝佳设置。科学家们所需要的只是一个充分准备好的纠缠量子粒子系统、一个在进行测量时各种信号将意味着什么的约定系统，以及一个将进行这些关键测量的预定时间。这样，即使在光年之外，我们也可以通过观察一直带在身边的粒子，立即了解目的地的测量结果。

这是一个非常聪明的实验方案，但实际上却没有任何回报。

当粒子对被纠缠和产生的原始源头进行这些关键测量时，会发现一些极其令人失望的事情：结果仅仅显示了处于+1或-1状态的50/50几率。就好像远处观察者的行为迫使纠缠对中的成员处于+1或-1状态，但对实验结果却没有任何影响。

实验结果会与所预期的结果完全一致：即根本不存在任何纠缠。

计划在哪里出了差错？就是在我们让目的地的观测者进行观测、并试图将这些信息编码到他们的量子态的那一步。

我们之前说过：“让目的地的观测者寻找某种信号，并迫使他们的纠缠粒子进入+1态（正信号）或-1态（负信号）。”

当迈出这一步——强迫一对纠缠粒子中的一个粒子进入一个特定的量子态，这个动作不仅会打破两个粒子之间的纠缠，而且并没有打破纠缠并决定该粒子的属性是什么；它打破了纠缠并将其置于一个新的状态，而这个新状态并不是通过公平测量“确定”的状态（+1或-1）。

也就是说，纠缠对的另一个成员完全不受这种“强迫”作用影响，它的量子态仍然是随机的，是+1和-1量子态的叠加。如果我们“强迫”纠缠粒子中的一个粒子进入特定状态，就会完全打破测量结果之间的相关性。

要想解决这个问题，唯一的办法就是用某种方法进行量子测量，从而产生特定的结果（注：这在目前已知的物理定律中是不允许的）。

如果能做到这一点，那么在目的地的某个人就可以进行观测（例如，了解他们正在访问的星球上是否有人居住），然后使用某种未知的过程测量量子粒子的状态。

不幸的是，量子测量的结果不可避免地是随机的；我们无法将自己偏好的结果编码到量子测量中。

即使利用量子纠缠，要想知道纠缠实验的另一端发生了什么，也不可能比随机猜测做得更好。

正如量子物理学家Chad Orzel所写的那样，进行测量（保持粒子对之间的纠缠）与强迫产生特定结果，这本身就是一种状态变化；然后再进行测量（不保持纠缠）之间存在着巨大的差异。如果想控制、而不仅仅是测量量子粒子的状态，那么一旦我们进行了状态改变操作，就会失去对组合系统完整状态的了解。

量子纠缠只能用于通过测量量子系统的另一个组成部分来获得关于其中一个组成部分的信息，并且纠缠需要保持不变。我们不能在纠缠系统的一端创建信息，然后以某种方式将其发送到另一端。

如果能以某种方式制作量子态的相同副本，那么超光速通信是可能的——但这也是物理定律所禁止的。

利用量子纠缠的奇异物理原理，我们可以做很多事情。比如，创建一个用纯经典计算几乎无法破解的量子锁钥系统。但事实上，我们无法复制/克隆量子态：因为仅仅读取量子态的行为就会从根本上改变量子态，这是任何利用量子纠缠实现超光速通信的可行方案的致命弱点。

量子纠缠本身就是一个丰富的研究领域，其许多方面已在2022年诺贝尔物理学奖中得到认可。

量子纠缠在实践中是如何工作的，这其中有很多微妙之处，但关键的一点是：没有任何测量程序可以在保持粒子间纠缠的同时强制得出特定结果；任何量子测量的结果都不可避免地具有随机性，从而否定了这种可能性。

事实证明，上帝确实在玩弄宇宙的骰子，这是一件好事。任何信息都无法以超光速发送，这使得我们的宇宙仍能保持因果关系。

参考链接：

[1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/quantum-entanglement-faster-than-light/

[2]https://www.forbes.com/sites/chadorzel/2016/05/04/the-real-reasons-quantum-entanglement-doesnt-allow-faster-than-light-communication/?sh=3d67c77e3a1e

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