逆天！中國科學家成功讓信息超光速「飛」！

知識 10-13

處於糾纏態的兩個粒子之間雖然已被驗證存在「幽靈般的超距作用」，但在傳統的量子力學中，這種超距作用是不能用來超光速地傳播信息的。而中科大的研究團隊此次則成功地通過實驗驗證：在PT對稱理論的世界中，糾纏可以被用來實現超光速的信息傳輸。

量子力學誕生100多年以來，幾乎在所有物理學領域都取得了巨大的成功。然而，對於量子力學的基礎，特別是它如何與廣義相對論理論相融合的問題，直到現在，量子力學理論仍不能給出滿意的答案。

日前，中國科學技術大學研究人員發表於英國《自然·光子學》雜誌上的一項研究，成功模擬了宇稱—時間（Parity-time, PT）對稱世界中的超光速現象，或在回答這一問題的道路上邁進了一步。

不可思議的超距作用

貝爾不等式的提出，使量子力學的完備性從哲學上的思辨變成了可以實驗驗證的問題。後來，越來越多的實驗支持超距作用，不支持局域實在論。

上世紀20年代，以玻爾、海森堡等為代表的幾位量子物理學家建立了一種詮釋法，將世界分為截然不同的兩個領域，一個是經典的，一個是量子的。在量子世界中，一切都受一種特定的場或者波來支配，這個場或波告訴我們某個真實狀態實現的概率是多少。而當這個量子波通過一次測量或其他相互作用觸碰到經典領域的某個東西時，波函數會立即「蒸發」或者塌縮，消除所有的其他狀態，只剩一個真實態。玻爾等學者認為，在測量之前，關於這個世界我們所能知道的只是一系列概率。

愛因斯坦始終認為玻爾的詮釋是不完備的，在這場曠日持久的爭論中，他一直扮演反對者的角色。在物理學大咖雲集的1927年第五次索爾維會議上，愛因斯坦指出，比如對一個電子正在發生的事情，玻爾的理論給出了特定時刻在某位置上發現這個電子的概率，但如果它出現在A地，就會阻止這個電子出現在B地，也即，出現在「這裡」的一個作用使得這個作用出現在「那裡」變為不可能。愛因斯坦認為，「這個過程假定了一個非常奇特的、超距離的作用機制」，換言之，要麼承認超距作用的存在，要麼玻爾的理論就是不完備的。

終其一生，愛因斯坦都主張局域因果性，即認為物體不能以超光速傳播，否定超距作用。20世紀60年代，愛爾蘭物理學家約翰·貝爾在一篇影響深遠的論文中，演示了量子力學理論里「設置一個測量裝置會影響另一個儀器的讀數，不管有多遠」，並提出了著名的貝爾不等式，他說：「這個定理無疑暗示愛因斯坦的、被光速簡潔地分成不同區域的時空概念不是無懈可擊的。」

貝爾不等式的提出，使量子力學的完備性從哲學上的思辨變成了可以實驗驗證的問題。後來，越來越多的實驗支持超距作用，不支持局域實在論。直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學的團隊宣布，他們設計並進行了迄今為止最嚴格的實驗，首次在無漏洞下驗證貝爾不等式被破壞，從而證明量子力學的「超距作用」是真實的。這項研究被《環球科學》雜誌列入2015年十大科學新聞之一。

當PT對稱理論遇上量子力學

物理學家預言，PT對稱理論中非厄米哈密頓量系統也會帶來新奇的物理現象——糾纏能夠被用來實現超光速信息傳輸。

處於糾纏態的兩個粒子之間雖然已被驗證存在「幽靈般的超距作用」，但在傳統的量子力學中，這種超距作用是不能用來超光速地傳播信息的。而中科大的研究團隊此次則成功地在實驗上驗證：在PT對稱理論的世界中，糾纏可以被用來實現超光速的信息傳輸。

首先，什麼是PT對稱理論呢？它與一個物理學家求解工作中經常會碰到的物理量有關。「我們知道，量子力學本身是由一系列假設建立起來的，其中一個涉及到描述量子系統的基本物理量——哈密頓量，」研究論文的通訊作者之一、中國科學技術大學中科院量子信息重點實驗室教授韓永建對科技日報記者解釋道：「一個物理系統的性質，是由哈密頓量來確定的。」

傳統的量子力學公設，大都有其物理的根源，但有一條是純粹數學的要求——那就是要求系統的哈密頓量必須是「厄米」的。所謂厄米的，意味著矩陣同時經過「轉置」和「共軛」兩種變換後與原來的矩陣一樣；而如果經過變換後矩陣和初始的矩陣不同，就是非厄米的。厄米的哈密頓量，表明著體系的能量是實數，且總概率守恆。

本世紀初，美國物理學家卡爾·班德等人提出了不同的意見，他們認為，哈密頓量必須是厄米的這條數學要求過於嚴格，應當予以放寬。而應當如何放寬呢？

「轉置和共軛這兩個變換可以換成兩個更弱且更『物理』的變換——空間（P）和時間（T）的反演變換」，韓永建說，「放寬哈密頓量的厄米條件——這條數學要求——到PT對稱，而雖然放寬了這一數學條件，但它所對應的物理要求——能量的實數性以及總概率守恆——仍然得以保持。」哈密頓量只需要同時滿足空間和時間反演對稱性，系統能量的實數性以及總概率守恆就仍得以保持。

這樣一來，在PT的假設下，一些非厄米的哈密頓量也變成了合法的，也符合能量的實數性以及總概率守恆這一物理要求。十多年來，PT對稱理論已在經典光學領域中大有作為；而在量子世界中，物理學家預言，PT對稱理論中非厄米哈密頓量系統也會帶來新奇的物理現象——糾纏能夠被用來實現超光速信息傳輸。而中科院量子信息重點實驗室團隊的實驗，就成功地驗證了這一理論預言。

讓信息以1.9倍光速「飛」

PT對稱理論有可能為量子力學開拓嶄新的領域。有趣的是，PT對稱理論中可以引入度規，進而為在量子力學框架下引入引力提供了一種可能。

為了模擬PT對稱理論世界中的超光速現象，團隊利用量子模擬器進行了複雜的實驗。

「我們首先需要將一對糾纏光子對分發到相隔25米的兩個實驗室中」，韓永建介紹說，在其中的一個實驗室中，研究人員利用一系列量子邏輯門以及一個後選擇操作，使得糾纏光子對中的一個光子做PT對稱理論控制下的非幺正演化。然後，對類空分隔的兩個光子進行同時測量，「類空性需要快速的測量來保障，我們的測量時間為43.5納秒」。

測量結果表明，編碼在PT對稱世界的信息可以以超過1.9倍的光速從一個實驗室傳輸到另一個實驗室。

「當然，在我們的實驗中，PT對稱世界是概率性實現的（50%的概率）」，韓永建說，因而，需要額外的信息來判斷系統是否在PT世界中。如果加上這一部分需要的信息，整個系統是不會有超光速現象發生的，這與我們所處的世界和現有的量子力學是一致的。

PT對稱理論有可能為量子力學開拓嶄新的領域。韓永建介紹說，愛因斯坦的廣義相對論理論，是用幾何量度規來描述的；而在傳統量子力學中，度規是不起任何作用的。「有趣的是，PT對稱理論中可以引入度規，進而為在量子力學框架下引入引力提供了一種可能」。

未來，PT對稱理論是否有助於推動量子力學與廣義相對論理論的相融合呢？韓永建客觀地表示，現在還遠沒有到那一步，目前的工作還停留在研究PT對稱理論中的現象階段。「即使PT對稱理論在自然界存在且是正確的，它是否就能融合廣義相對論，仍然還有很長的路要走」。

（圖片來自網路）

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