深度長(zhǎng)文：量子糾纏超過光速一萬倍，為什么不能用來通信？

在現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展歷程中，量子力學(xué)無疑是最具革命性、也最令人困惑的分支之一。

它打破了經(jīng)典物理學(xué)的固有認(rèn)知，揭示了微觀世界的奇特規(guī)律，而在量子力學(xué)眾多熱門話題中，量子糾纏以其“超距作用”的神秘特性，成為了大眾關(guān)注的焦點(diǎn)、科學(xué)家研究的前沿。

從愛因斯坦口中“鬼魅般的超距作用”，到如今量子通訊、量子計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用，量子糾纏始終貫穿其中，成為連接微觀世界與宏觀應(yīng)用的關(guān)鍵紐帶。要真正理解量子力學(xué)的核心魅力，讀懂量子糾纏的本質(zhì)、澄清其常見誤解，就顯得尤為重要。

何為量子糾纏？

這個(gè)問題不僅困擾著普通大眾，即便在量子力學(xué)發(fā)展初期，也讓諸多頂尖物理學(xué)家爭(zhēng)論不休。物理學(xué)上對(duì)量子糾纏的標(biāo)準(zhǔn)定義是：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子在彼此發(fā)生相互作用后，它們的物理特性會(huì)相互關(guān)聯(lián)、融合成為一個(gè)整體系統(tǒng)的屬性，此時(shí)我們無法再單獨(dú)描述單個(gè)粒子的狀態(tài)，只能通過描述整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)來掌握各個(gè)粒子的情況，這種現(xiàn)象就被稱為“量子糾纏”。

這個(gè)定義看似抽象，實(shí)則蘊(yùn)含著微觀世界與宏觀世界的本質(zhì)區(qū)別。

在我們熟悉的宏觀世界里，每個(gè)物體都有明確的、獨(dú)立的屬性，比如一顆蘋果有它的顏色、重量、形狀，另一顆蘋果也有自己獨(dú)立的這些屬性，兩者之間即便靠得再近，也不會(huì)出現(xiàn)“無法單獨(dú)描述”的情況。

但微觀世界的粒子，比如電子、光子、中子等，卻完全不同——當(dāng)它們發(fā)生糾纏后，就仿佛成為了“命運(yùn)共同體”，無論彼此相距多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子會(huì)瞬間做出相應(yīng)的反應(yīng)，這種反應(yīng)速度之快，遠(yuǎn)超我們已知的任何速度。

科學(xué)家們通過無數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，量子糾纏的關(guān)聯(lián)過程是瞬時(shí)完成的，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光速，甚至有實(shí)驗(yàn)測(cè)算表明，這種關(guān)聯(lián)速度至少是光速的10000倍。

這一結(jié)論一經(jīng)提出，就引發(fā)了廣泛的爭(zhēng)議：愛因斯坦的相對(duì)論明確指出，光速是宇宙中信息傳播的極限速度，任何物體、信息的傳播都不可能超過光速，那么量子糾纏的超光速關(guān)聯(lián)，難道真的違反了相對(duì)論嗎？

答案是否定的——量子糾纏并沒有違反愛因斯坦的相對(duì)論，核心原因在于：量子糾纏的過程中，并沒有傳遞任何實(shí)際的信息，而相對(duì)論所限制的，是“信息和能量”的超光速傳播。

要搞清楚這一點(diǎn)，我們首先需要明確一個(gè)關(guān)鍵問題：信息到底是什么？在科學(xué)界，目前最被廣泛認(rèn)可的定義，是數(shù)學(xué)家香農(nóng)在1948年發(fā)表的《通信的數(shù)學(xué)理論》一文中提出的：信息，就是用來消除隨機(jī)不確定性的存在。

為了更直觀地理解這個(gè)定義，我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)密封的箱子里裝著一只手套，在我們沒有打開箱子之前，我們無法確定這只手套是左手套還是右手套，這種“不確定的狀態(tài)”就是隨機(jī)不確定性。

而當(dāng)我們打開箱子，看到手套反射出來的光子時(shí)，這些光子就攜帶了手套的信息，正是這些信息消除了我們對(duì)“手套是左手還是右手”的不確定性，讓我們得到了一個(gè)確定的結(jié)果。換句話說，信息的核心作用，是“消除未知、提供確定的判斷依據(jù)”。

回到量子糾纏的問題上：雖然糾纏中的兩個(gè)粒子能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)關(guān)聯(lián)，但整個(gè)過程并沒有傳遞任何能消除不確定性的信息。我們可以這樣理解：假設(shè)兩個(gè)糾纏的電子A和電子B，它們的自旋狀態(tài)始終相反，但在我們觀測(cè)之前，它們都處于“上旋和下旋同時(shí)存在”的疊加態(tài)（這一點(diǎn)我們后面會(huì)詳細(xì)解釋）。

當(dāng)我們觀測(cè)電子A，發(fā)現(xiàn)它的自旋是朝上時(shí)，我們能瞬間知道電子B的自旋是朝下，但這并不意味著電子A向電子B傳遞了“我是上旋”的信息——因?yàn)樵谟^測(cè)之前，兩個(gè)電子的狀態(tài)都是不確定的，觀測(cè)只是讓電子A的疊加態(tài)坍縮為確定狀態(tài)，而電子B的狀態(tài)只是基于糾纏關(guān)系的“必然結(jié)果”，并沒有任何新的信息從A傳遞到B。

更關(guān)鍵的是，無論我們?nèi)绾尾僮髌渲幸粋€(gè)糾纏粒子，另一個(gè)粒子的觀測(cè)結(jié)果都不會(huì)包含任何“操作信息”。比如，我們可以刻意改變電子A的自旋狀態(tài)，但對(duì)于觀測(cè)電子B的人來說，他得到的結(jié)果依然是“上旋和下旋各占50%的概率”，他無法通過觀測(cè)電子B，判斷出我們是否對(duì)電子A進(jìn)行了操作，更無法獲取任何關(guān)于操作的具體信息。既然沒有信息的傳遞，自然就不違反相對(duì)論中“光速限制”的規(guī)定。

不過，物理學(xué)上對(duì)量子糾纏的定義依舊顯得抽象，很多人即便了解了定義，也依然無法真正理解這種“超距關(guān)聯(lián)”的本質(zhì)。接下來，我們就用一個(gè)更具體的類比，結(jié)合微觀粒子的特性，來深入解讀量子糾纏，同時(shí)區(qū)分宏觀世界與微觀世界的核心差異。

我們繼續(xù)用“箱子里的手套”來打比方。

假設(shè)現(xiàn)在有兩個(gè)密封的箱子，每個(gè)箱子里各有一只手套，分別是手套A和手套B。在我們沒有打開箱子之前，我們不知道每只手套是左手還是右手，此時(shí)從理論上分析，兩只手套的狀態(tài)會(huì)有四種可能性，也就是四種組合：A左B左、A右B右、A左B右、A右B左。這四種組合都是隨機(jī)的，沒有任何確定的關(guān)聯(lián)，這就相當(dāng)于微觀世界中，兩個(gè)沒有發(fā)生糾纏的電子——電子有“上旋”和“下旋”兩種基本自旋屬性，兩個(gè)獨(dú)立的電子，也會(huì)有四種自旋組合形式：A上B上、A下B下、A上B下、A下B上，每種組合的概率都是相等的。

但如果我們對(duì)這兩只手套進(jìn)行一些“特殊處理”，比如將它們放在一起，讓它們形成一種“必然相反”的關(guān)聯(lián)——比如規(guī)定“兩只手套必須一只左一只右”，那么原本的四種組合就會(huì)只剩下兩種：A左B右、A右B左，這就相當(dāng)于微觀世界中兩個(gè)電子發(fā)生糾纏的狀態(tài)。

在微觀世界里，當(dāng)兩個(gè)電子靠得足夠近，它們之間會(huì)發(fā)生相互作用，釋放出光子，這個(gè)過程就會(huì)讓兩個(gè)電子形成糾纏狀態(tài)。

根據(jù)量子糾纏的規(guī)律，糾纏后的兩個(gè)電子，其自旋狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出“必然相反”的關(guān)聯(lián)，原本的四種自旋組合會(huì)只剩下兩種：A上B下、A下B上，再也不會(huì)出現(xiàn)“同方向自旋”的情況。

此時(shí)，即便我們把這兩個(gè)糾纏中的電子分開，讓它們相距極其遙遠(yuǎn)——哪怕是相隔數(shù)光年、甚至整個(gè)宇宙的距離，它們之間的這種糾纏關(guān)聯(lián)依然存在。當(dāng)我們觀測(cè)其中一個(gè)電子的自旋方向時(shí)，只要發(fā)現(xiàn)它是朝上的，就可以立刻確定另一個(gè)電子的自旋方向一定是朝下的，根本不需要去觀測(cè)另一個(gè)電子；反之，如果觀測(cè)到一個(gè)電子是朝下的，另一個(gè)必然是朝上的。這種“瞬時(shí)響應(yīng)”，就是愛因斯坦所說的“鬼魅般的超距作用”。

這里需要特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，也是宏觀世界與微觀世界最核心的區(qū)別之一：在我們所在的宏觀世界里，不管我們是否觀測(cè)，手套的狀態(tài)其實(shí)早就客觀存在了。

比如，即便我們不打開箱子，手套A是左手、手套B是右手的狀態(tài)，也是已經(jīng)確定的，我們的觀測(cè)只是“看到了早已存在的事實(shí)”，不會(huì)對(duì)手套的狀態(tài)產(chǎn)生任何影響。

但在微觀世界里，情況卻完全相反——在我們觀測(cè)之前，電子的自旋方向并不是客觀存在的確定狀態(tài)，而是處于一種“同時(shí)上旋和下旋”的疊加態(tài)中。也就是說，此時(shí)的電子既不是上旋，也不是下旋，而是兩種狀態(tài)同時(shí)存在，直到我們實(shí)施觀測(cè)的一瞬間，這種疊加態(tài)才會(huì)瞬間“坍縮”，電子才會(huì)呈現(xiàn)出“要么朝上，要么朝下”的確定狀態(tài)。

更有趣的是，在我們觀測(cè)的一瞬間，兩個(gè)原本處于糾纏關(guān)系的電子，會(huì)立刻失去糾纏屬性，變成兩個(gè)完全獨(dú)立的電子，之后無論我們?cè)偃绾斡^測(cè)其中一個(gè)，另一個(gè)都不會(huì)再產(chǎn)生任何響應(yīng)。這種“觀測(cè)導(dǎo)致疊加態(tài)坍縮、糾纏解除”的特性，也是量子糾纏最神奇的地方之一，它揭示了微觀世界中“觀測(cè)者”的重要性——觀測(cè)行為本身，會(huì)影響微觀粒子的狀態(tài)，這在經(jīng)典物理學(xué)中是完全無法想象的。

需要說明的是，量子糾纏并不是電子獨(dú)有的現(xiàn)象，除了電子之外，光子、中子、質(zhì)子等所有微觀粒子，只要滿足一定的條件，都可以形成糾纏狀態(tài)。甚至在一些特殊情況下，多個(gè)微觀粒子可以同時(shí)形成糾纏，構(gòu)成“多粒子糾纏系統(tǒng)”，這種系統(tǒng)在量子計(jì)算、量子通訊中有著非常重要的應(yīng)用。比如，我國的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，就利用了光子的糾纏特性，實(shí)現(xiàn)了星地之間的量子密鑰分發(fā)，為全球量子通訊奠定了基礎(chǔ)。

既然量子糾纏不能傳遞信息，那么近年來被炒得火熱的“量子通訊”，到底是什么意思呢？

很多人看到“量子通訊”這四個(gè)字，都會(huì)誤以為它是利用量子糾纏的超光速關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)超光速信息傳遞，但實(shí)際上，這是一種常見的誤解。“量子通訊”更嚴(yán)謹(jǐn)、更準(zhǔn)確的叫法，應(yīng)該是“量子加密通訊”，或者“量子密鑰分發(fā)”，它的核心作用并不是“傳遞信息”，而是“保障信息傳遞的絕對(duì)安全”。

具體來說，量子密鑰分發(fā)是一種在兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的通信端（比如甲和乙）之間，安全傳輸密鑰的方式。在保密通信中，我們需要用密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密和解密——發(fā)送方用密鑰將明文信息加密成密文，接收方用相同的密鑰將密文解密成明文，密鑰的安全性直接決定了信息的安全性。而量子密鑰分發(fā)，就是利用量子糾纏的原理，生成并傳輸這種密鑰，其安全性由量子力學(xué)的基本原理提供絕對(duì)保障。

與傳統(tǒng)的加密方式相比，量子密鑰分發(fā)有著不可替代的優(yōu)勢(shì)——它在理論上是絕對(duì)安全的，而傳統(tǒng)加密方式無論多么復(fù)雜，都存在被破解的可能。

為什么這么說呢？

核心原因有兩點(diǎn)：一是量子狀態(tài)的“不可復(fù)制性”，量子力學(xué)的基本原理告訴我們，我們無法完美克隆任意一個(gè)量子態(tài)，任何試圖復(fù)制量子態(tài)的行為，都會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)本身發(fā)生改變；二是量子態(tài)的“觀測(cè)坍縮特性”，任何對(duì)量子密鑰分發(fā)過程的竊聽，都需要觀測(cè)量子態(tài)，而觀測(cè)行為會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)坍縮，從而改變密鑰的信息，接收方和發(fā)送方就能立刻發(fā)現(xiàn)竊聽行為，及時(shí)終止通信，避免信息泄露。

我們可以舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，來理解量子密鑰分發(fā)的安全性：假設(shè)甲和乙通過量子糾纏生成了一組量子密鑰，此時(shí)有一個(gè)竊聽者試圖竊取這組密鑰，他就需要觀測(cè)傳輸密鑰的量子粒子。但觀測(cè)行為會(huì)導(dǎo)致量子態(tài)坍縮，原本的密鑰信息會(huì)發(fā)生改變，甲和乙在核對(duì)密鑰時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)密鑰的一致性出現(xiàn)問題，從而知道有竊聽者存在，進(jìn)而重新生成新的密鑰，確保信息傳遞的安全。

而傳統(tǒng)的加密方式，即便采用了所謂的“隨機(jī)密碼”，本質(zhì)上也是“偽隨機(jī)”。

因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界中，任何看似隨機(jī)的行為，其實(shí)都有其內(nèi)在的規(guī)律，并不是真正的隨機(jī)——哪怕是你大腦里隨機(jī)想出來的幾個(gè)數(shù)字，哪怕是通過擲骰子得到的結(jié)果，其背后都受到物理規(guī)律、環(huán)境因素的影響，屬于“偽隨機(jī)”。

理論上，只要擁有足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，就可以通過窮舉、分析規(guī)律的方式，破解傳統(tǒng)加密的密碼。但量子密鑰分發(fā)生成的密鑰，是基于量子態(tài)的真正隨機(jī)特性，而且無法復(fù)制，所以無論計(jì)算機(jī)的算力有多強(qiáng)大，都無法破解用這種密鑰加密的信息。

除了量子密鑰分發(fā)這種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)之外，量子糾纏還有一個(gè)更令人期待、也更具科幻色彩的應(yīng)用方向——量子隱形態(tài)傳輸。很多科幻小說和電影中，都有“瞬移”“超時(shí)空傳送”的故事情節(jié)，比如《星際迷航》中的傳送裝置，將人從一個(gè)地方瞬間傳送到另一個(gè)地方，而量子隱形態(tài)傳輸，就是這種科幻場(chǎng)景在現(xiàn)實(shí)中的科學(xué)原型。

通俗來講，量子隱形態(tài)傳輸?shù)暮诵脑恚抢昧孔蛹m纏，將一個(gè)物體的量子態(tài)信息，從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，然后在另一個(gè)地方利用當(dāng)?shù)氐牧Ｗ樱貥?gòu)出這個(gè)物體的量子態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)“物體的瞬間傳送”。需要注意的是，量子隱形態(tài)傳輸并不是將物體本身直接傳送過去，而是傳送物體的“量子態(tài)信息”，然后在目的地根據(jù)這些信息，重新構(gòu)建出一個(gè)與原物體完全相同的新物體。

我們可以用一個(gè)更具體的場(chǎng)景，來理解量子隱形態(tài)傳輸：假設(shè)你在甲地，我在乙地，甲、乙兩地之間有大量相互糾纏的粒子。

當(dāng)你需要被傳送到乙地時(shí)，你會(huì)與甲地的糾纏粒子發(fā)生相互作用，根據(jù)量子力學(xué)的定律，在這個(gè)過程中，你本身會(huì)被摧毀——因?yàn)槟愕牧孔討B(tài)信息會(huì)被轉(zhuǎn)移到甲地的糾纏粒子中，而原有的物體（你）會(huì)因?yàn)榱孔討B(tài)的轉(zhuǎn)移而消失。

不過不用擔(dān)心，甲地的糾纏粒子會(huì)將你的量子態(tài)信息，以光速傳遞到乙地，乙地的糾纏粒子接收到這些信息后，會(huì)與當(dāng)?shù)氐牧Ｗ酉嗷プ饔茫匦律梢粋€(gè)全新的“你”。理論上，這個(gè)全新的你，無論是外貌、性格、記憶，還是身體的每一個(gè)細(xì)胞、每一個(gè)量子態(tài)，都與原來的你完全一致，從本質(zhì)上來說，這個(gè)新的你，就是原來的你。

不過，關(guān)于量子隱形態(tài)傳輸，目前還存在一些爭(zhēng)議，但這些爭(zhēng)議并不是來自科學(xué)層面，而是來自倫理層面。

比如，當(dāng)原有的“你”被摧毀，而乙地生成了一個(gè)完全相同的“你”時(shí)，這個(gè)新的“你”，到底是原來的你，還是一個(gè)與你完全相同的復(fù)制品？如果是復(fù)制品，那么原來的“你”已經(jīng)消失，傳送的意義又是什么？如果是原來的你，那么“自我”的連續(xù)性又該如何定義？

這些倫理問題，目前還沒有明確的答案，也超出了物理學(xué)的研究范疇，這里就不再詳細(xì)展開。

需要強(qiáng)調(diào)的是，量子隱形態(tài)傳輸雖然看似實(shí)現(xiàn)了“瞬移”，但它本質(zhì)上依然離不開傳統(tǒng)的信息傳輸方式，并沒有突破光速的限制。因?yàn)樵谡麄€(gè)傳輸過程中，量子態(tài)信息的傳遞，依然需要通過傳統(tǒng)的方式（比如光子傳輸），以光速進(jìn)行傳遞；而量子糾纏的作用，只是實(shí)現(xiàn)了“量子態(tài)的關(guān)聯(lián)”，并沒有傳遞任何實(shí)際的信息。而且，量子隱形態(tài)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，對(duì)環(huán)境的要求極其苛刻——任何微小的外部干擾，都可能導(dǎo)致量子態(tài)的坍縮，從而破壞傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

這也是為什么，目前人類利用量子隱形態(tài)傳輸實(shí)現(xiàn)的最遠(yuǎn)距離，只有143公里（由我國科學(xué)家在2017年實(shí)現(xiàn)）。

雖然從理論上來說，量子隱形態(tài)傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到任意遙遠(yuǎn)的距離，只要有足夠多的糾纏粒子，并且能夠完全避免外界的干擾，但在實(shí)際操作中，這是相當(dāng)困難的。

因?yàn)槲⒂^粒子的量子態(tài)非常脆弱，溫度的變化、磁場(chǎng)的干擾、振動(dòng)的影響，都可能導(dǎo)致量子糾纏的解除，從而導(dǎo)致傳輸失敗。目前，科學(xué)家們正在努力研究如何減少外界干擾，延長(zhǎng)量子隱形態(tài)傳輸?shù)木嚯x，未來或許能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸，甚至實(shí)現(xiàn)星際間的量子隱形態(tài)傳輸。

除了量子密鑰分發(fā)和量子隱形態(tài)傳輸之外，量子糾纏在量子計(jì)算中也有著不可或缺的作用。量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算的核心區(qū)別，在于它利用了量子疊加態(tài)和量子糾纏的特性，能夠同時(shí)處理多個(gè)量子態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力。

比如，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理一個(gè)問題，需要逐一嘗試所有可能的解決方案，而量子計(jì)算機(jī)可以利用量子糾纏，同時(shí)處理所有可能的解決方案，極大地提高計(jì)算效率。目前，量子計(jì)算已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，各國都在加大對(duì)量子計(jì)算的研究投入，未來有望在密碼破解、藥物研發(fā)、氣象預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，發(fā)揮巨大的作用。