利用量子糾纏能實現超光速通信嗎？

（原標題：利用量子糾纏能實現超光速通信嗎？）

雖然量子糾纏這種「幽靈般的超距作用」的確存在，但我們卻無法利用它來實現星際超光速通信。

【圖片說明】太陽帆探訪遙遠的行星或恆星系統的概念圖

幾個月前，億萬富翁Yuri Milner和天體物理學家Stephen Hawking共同宣布了Breakthrough Starshot計劃，這個極富雄心的計劃要把第一艘人造宇宙飛船發射到銀河系的另一個恆星系統。雖然用一個巨大的激光陣列將一個質量很小、僅有微型晶元大小的宇宙飛船以20%光速發射到另一個星球是可行的，但是我們還不清楚像這樣一個動力不足的小設備如何能跨越巨大的星際空間與地球通信。有人提出了這樣的設想：或許可以用量子糾纏來通信？

這當然值得考慮。讓我們看看這個想法。

想像你有兩枚硬幣，每一枚都可翻轉為正面或背面。你拿著一枚我拿著一枚，我們彼此距離非常遠。我們在空中拋擲它們，接住，拍在桌子上。當我們拿開手查看結果時，我們預期各自看到「正面」的機會是50/50，我們各自得到「背面」的機會也是50/50。在普通的非糾纏宇宙中，你的結果和我的結果完全相互獨立：如果你得到了一個「正面」結果，我的硬幣顯示為「正面」或「背面」仍然是50/50.但是在一些情況下，這些結果會相互糾纏，也就是說，如果我們做這個實驗，而你得到了「正面」結果，你會100%肯定我的硬幣會顯示為「背面」，在我告訴你之前。你會瞬間就知道，即使我們相隔數光年而且連1秒鐘都還沒有過去。

在量子物理中，我們通常糾纏的不是硬幣而是獨立的粒子，例如電子或光子，其中，例如，每個光子自旋+1或-1。如果你測量它們中一個的自旋，你瞬間就知道另外一個的自旋，即使它跨過了半個宇宙。在你測量任一個粒子的自旋前，它們都以不確定狀態存在；但是一旦你測量了其中一個，兩者就都立刻知曉了。我們已經在地球上做了一個實驗，實驗中我們將兩個糾纏光子分開很多千米，在數納秒的間隔內測量它們的自旋。我們發現，如果測量發現它們其中一個自旋是+1，我們知曉另一個是-1的速度至少比以光速進行通信快10000倍。

【圖片說明】創造兩個糾纏的光子，並將它們分開很遠，我們可以通過測量其中一個的狀態來得知關於另一個的信息。圖片來源：Melissa Meister

現在回到Olivier的問題：我們可以利用該特性——量子糾纏實現從遙遠恆星系統到我們的通信嗎？回答是肯定的，如果你認為從遙遠的地方進行測量也算是一種「通信」的話。但是，當你提到通信時，通常是想要知道你的目標的情況。例如，你可以讓一個糾纏粒子保持著不確定狀態，搭載到前往最近恆星的宇宙飛船上，然後命令飛船在那個恆星的宜居帶尋找岩石行星的蹤跡。如果找到了，就進行一次測量使所攜帶的粒子處於+1態，如果沒有找到，就進行一次測量使所攜帶的粒子處於-1態。

因此，你推測，當飛船進行測量時，留在地球上的粒子會呈現為-1態，從而告知知你宇宙飛船在宜居帶發現了一顆岩石行星，或者是-1態，告訴你宇宙飛船還沒有發現行星。如果你知道飛船已經進行了測量，你應該可以自己測量留在地球上的粒子，並立即知道另一個粒子的狀態，即使它遠在許多光年外。

這是一個聰明的計劃，但是有一個問題：只有你詢問一個粒子「你處於什麼狀態？」糾纏才起作用。如果你迫使一個糾纏態粒子成為一種特殊的狀態，你就破壞了糾纏，你在地球上做的測量與在遙遠恆星旁做的測量就完全獨立了。如果只是測量出遠處的粒子的狀態是+1或-1，那麼你在地球上的測量結果就肯定是-1或+1（分別），從而告訴你遠在數光年外的粒子的信息。但是迫使遠處的粒子為為+1或-1，那就意味著，不管結果如何，你在地球上的粒子有50/50的機會是+1或-1，和若干光年外的粒子再沒有關係。

這是量子物理最令人困惑的一點：當你知道知道系統完整狀態並對系統的其餘部分進行測量時，可以通過糾纏獲取系統某一個部分的信息，但是不能從糾纏系統的某個部分創建並發送信息到另一部分。儘管這個想法很聰明，但超光速通信依然是不可能實現的。

量子糾纏是一種美妙的性質，我們可以將其用於許多方面，例如終極密鑰安全系統。但是超光速通信？要理解為什麼這是不可能，要求我們理解量子物理的關鍵特性：迫使糾纏系統的一部分成為一種狀態或另一種狀態，不能讓你通過測量系統的其它部分得到信息。正如尼爾斯·波爾曾經說過的那句名言：

如果量子力學沒有震撼到你，你一定還沒有理解它。

宇宙一直在和我們拋骰子，這使愛因斯坦十分懊惱。但是即使我們盡最大努力在遊戲中作弊，也會被自然本身挫敗。只要裁判始終與量子物理定律保持一致！

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