量子传送能超过光速吗?能传送人的意识吗?


这是Sheldon的第54篇漫画,也是墨子沙龙和Sheldon合作的第6篇量子科普漫画, 所有图片大约4.9MB。




在量子通信、量子计算和科幻小说中,有一种神奇的状态扮演着重要的角色。

 

如果有一对粒子形成了这种状态,不论它们相距多远,只要你测量其中一个粒子,另一个粒子也会瞬间发生响应——在常人眼中,它们仿佛能够超越光速的限制,形成了一种“超光速的心灵感应”——就连爱因斯坦也无法透彻地理解这种概念,只好揶揄说,这是一种“鬼魅般的超距作用”。

 

在科幻小说《三体》中,这种状态更是成了推动小说情节发展的关键黑科技。借助这种状态,三体人再也不用担心光速的限制,能够从4.2光年外的老家,向地球瞬时传递信息,顺利完成在地球上扶植人奸的任务。

 

说到这儿,你可能想起来了,这种神秘的状态就是深受朋友圈伪科学文章欢迎的、让霍金的哥们罗杰•彭罗斯从一个正统科学家滑入民科深渊的“量子纠缠”。

 

在2017年初,量子卫星“墨子号”施展了一项关于量子纠缠的绝活:在1200千米的距离上,完成了量子纠缠光子对的分发实验。

 

量子卫星的另一项绝活也跟量子纠缠有关,这项绝活在科幻小说中的名字比量子纠缠还要响亮,叫做“量子传送”(它的学名叫做量子隐形传态)。

 

今天我们要说的是,中国科学家首次将地球上物质的量子状态,“传送”到了1400千米外的 “墨子号”量子卫星上。他们是怎么做到的呢?




量子传送可不是你想象的那样:把人关进一个玻璃罩里,用一束光一照,嗖的一声,他就消失了。



然后在一千公里之外的太空,又有一束光一照,嗖的一声,那个人就传送好了。



你想的太美了,那是魔法传送,在科学上实现不了。

 

跟魔法传送相比,量子卫星完成的量子传送实验,有4个不一样的地方。

 

1. 量子传送不能凭空把物体传送到远处。它传送的是一个粒子的量子状态,而不是粒子本身。我们姑且把这个粒子叫作X。


 

量子传送的过程也不是凭空发生的,而是需要借助一个粒子(我们把它叫作A),将X的量子状态传送到远处另一个粒子(我们把它叫作B)的身上。在中国的地星量子隐形传态实验中,这三个粒子都是光子。



量子传送进行的时候,物质既没有凭空消失,也没有凭空出现。传送之前有三个粒子,传送之后还是三个粒子。只不过三个粒子的状态都变了。

 

2. 实验用到的粒子可不是随便选的。A和B在传送之前,必须先形成量子纠缠的状态。量子传送,就是利用A和B之间的量子纠缠,通过X和A的相互作用,将X的量子状态的一些特征,传送到遥远的B身上。




3.量子传送不能超越光速传递信息(爱因斯坦:读到此处,破涕为笑)。

 

你可能会问了,刚才不是说,“如果一对粒子发生了量子纠缠,只要你测量其中一个粒子,另一个粒子也会瞬间发生响应”吗?如果另一个粒子能够瞬间响应,难道不可以利用它超光速传递信息吗?

 

其实,之前提到的“另一个粒子瞬间发生响应”,并没有本质错误。当我们测量量子纠缠中的一个粒子时,另一个粒子的响应确实是超越光速瞬间产生的。但这种响应完全是一种掷骰子式的随机行为,根本不能用来传递信息。

 

比方说,在量子传送中,当X和A产生相互作用的一刹那,量子力学就会犯它的老毛病,让“上帝”开始“掷骰子”(爱因斯坦:才下眉头,却上心头),随机产生4种结果中的1种!

 


此时,X的量子状态的一些特征,确实传送到B的身上。但在可能传送到B身上的4种结果中,有3种结果会以不同的方式将这些特征打乱,重新组合。

 

在每一次的量子传送实验中,“上帝”都会“掷骰子”,随机从4种传送结果中选1种。B到底会得到什么样的结果,科学家根本控制不了,所以是完全是随机产生的。

 


在物理学中,随机就意味着结果不确定,结果不确定就相当于说“不知道”,也就是说,在完全随机的结果中不包含任何确定的信息!


注:我们举一个简单的例子。假设你想问你的配偶,今晚有没有兴趣一起看Benenti的《量子计算和量子信息原理》?



他/她打算通过一对纠缠光子给你发送回答。在回答之前,你猜测,她有50%的概率说有,50%的概率说没有。




为了通过量子纠缠发送回答,他/她操纵了其中一个光子,导致“上帝掷了一次骰子”,使你随机得到另一个光子测量结果,每一种结果出现的概率各占50%。



因为“掷骰子”的过程完全是随机的,任何人都没法控制。所以不论他/她究竟想说什么,你都有50%的概率得到“有”,50%的概率得到“没有”。



也就是说,回答之前和回答之后没有任何区别。



在量子纠缠中,虽然远处的粒子对相互作用瞬间做出了响应,但响应的结果完全是随机的,不以人的意志为转移,结果什么信息都没有传递出来!



所以,量子传送并不能超光速传递信息(严格地说,是不能超光速传递经典信息),这是因为量子纠缠本身不能超光速传递信息。

 

也就是说,《三体》中设想的“通过量子纠缠从4.2光年外瞬间传递信息,从而扶植人奸”的设想是无法实现的。(大刘:)

 

既然量子传送的结果是随机产生的,那么如何才能真正地将原先的X的量子状态,传送到远处的B身上呢?这就要说到量子传送的第4点不同。

 

4.量子传送必须通过打电话、发邮件等经典信息通道传输测量的结果,才能真正完成传送。

 

原来,在X和A发生相互作用的一刹那,X和A这两个光子也会随机进入一种新的状态,这个状态也是随机地四选一,跟B光子的四选一完全对应。




为了完成量子传送,在X和A附近的科学家必须检查这两个光子到底进入了哪个状态,然后把这个状态结果通过打电话、发邮件等不可超过光速的通信方式,告诉远在B粒子处的另一个科学家。


另一个科学家了解了X和A的状态信息后,就能知道B粒子身上接收到X的特征发生了哪些变化,就可以有针对性地对B粒子进行操作,从而将X最原始的量子状态还原出来,使得X的状态成功传送到B粒子的身上。



在整个传送的过程中,两边的科学家可以自始至终都不知道原先的粒子X处于什么样的量子状态。由于漫画的创作需要,我们把粒子X的状态画成了“白鹤亮翅”。但实际上,它可以是任何状态,只要量子力学允许就可以,而且科学家可以完全不知道它处于哪个状态。

 

不管X处于什么状态,只要按照上面说过的步骤,一步一步操作,科学家就可以把它传送到遥远的粒子B身上。

 

如果你觉得量子传送的过程还是太复杂,可以参考分钟物理制作的这张动图:如何传送薛定谔的猫。除了没有体现“量子传送必须借助量子纠缠”和“猫不能凭空消失”之外,其他细节的比喻都可以帮助理解。

 


总之,量子传送的本质可以简单地理解为,先用纠缠光子对中的一个光子A,跟待传送的X发生相互作用,然后读取相互作用结果中蕴含的信息;再将这个信息传输给B处的科学家,让他有针对性地操纵光子B,使得光子B的状态完全还原成光子X原先的状态。

 

我们再强调一下,在量子传送的过程中,物理学家自始至终都不知道要传送的光子X处于什么样的量子状态。它的奇妙之处就在这里:虽然你不知道你要传送的量子状态是什么,但你仍然可以通过下面几个步骤的操作,把它传送到一千公里之外的地方。



因此,量子传送(确切地说,是量子隐形传态)被科学家看作是一种量子通信的实现方式。

 

为什么非要搞量子传送,能不能直接复制粒子的状态?

 

不能!

 

在量子力学中,对于一个未知的量子状态(光子X),科学家既不能直接对它精确测量(测不准原理),也不能未经测量而强行将它复制出来(量子不可克隆原理)



所以,如果你想把一个光子X,从地面弄到太空中,要么你需要将光子X朝天上发射出去,要么就得使用量子传送。

 

比方说,在量子卫星的量子传送实验中,科学家有一大堆要传送的光子X。他们可以让设在西藏阿里的地面站快速产生一对对纠缠光子,然后向太空中的量子卫星发射其中一组光子B。然后通过量子传送的方式,将一个个要传送的光子X的量子状态,传送到量子卫星接收到的B身上。

 

一个哲学问题:它还是原来的它吗?

 

说到这儿,你的脑中可能会产生一个哲学问题。如果光子X的量子状态传送到了光子B身上,那么传送后的光子B跟传送前的光子X到底算不算同一个粒子呢?

 

或者我们可以换一种问法。比方说,你是一名宇航员,在天上感到孤单寂寞。你的对象为了来看你,先是给你发送了一大堆粒子,然后通过量子传送的方式,让这堆粒子变成了自己身上对应的每一个粒子的状态,分毫不差。那么,这堆粒子构成的跟你对象各个方面完全一致的人,到底是不是你原先爱过的那个人呢?

 


在哲学家看来,这个问题可能有很多种答案。有的流派会说是,有的流派会说不是。

 

从物理学的角度讲,这个问题只有一个回答:是!

 

如果有两个粒子,种类完全相同,量子状态也完全相同,那么它们就是完全无法区分的。

 

如果有一个粒子,量子状态被测量破坏了,却在一段时间后,传送到了另一个同种粒子的身上,那么物理学家就可以说,同一个粒子又一次出现了。或者说,一个粒子被传送过去了。

 

这也许就是为什么,量子隐形传态实验的英文名称叫做quantum teleportation,其中的teleportation在科幻小说和电子游戏当中,就是指“隔空传送物质”。

 

物质的本质是(量子)信息吗?

 

如果传送状态就等于传送物质,那么我们可以说,物质的本质就是信息吗?

 

当然可以。已故的著名物理学家约翰•惠勒曾经提出,信息是物理学的核心,万物皆是比特(”It from bit”)。

 

随着量子计算和量子通信学的发展,量子物理学中的信息(量子比特)在科学家心目中的地位越来越重要。2003年,物理学家大卫•多伊奇进一步发展了惠勒的观点:万物皆是量子比特(”It from qubit”)。



量子传送实验,从一个侧面反映了万物皆是量子比特的说法。

 

我们有可能传送人类大脑中的意识吗?

 

从物理学家的角度看,传送人类或者传送人类大脑并不违背物理原理。如果能把人类大脑中的每一个原子的状态,通过量子传送,传送到另一堆原子身上,那么我们就实现了传送大脑。

 

但大脑中的意识是不是也能传送呢?物理学家通常不考虑的意识问题,按理说应该咨询生物学家。当然,物理学家认为世界的基础是物理的,如果我们传送了大脑中所有的物理信息,那么其中的化学和生物信息也应该都一起传送过去了。

 

但是,一个人的大脑平均含有10^26个原子,也就是100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000个原子。虽然传送大脑不违背物理原理,以现在的技术手段,科学家想办也办不到啦。

 

中国的地星量子隐形传态实验是怎么做的?

 

讲了那么多背景知识,终于可以开始讲正题了!

 

在“墨子号”量子卫星的地星量子隐形传态实验中,科学家用到的光子都是波长780纳米的近红外光子。他们想要传送的量子状态,就是近红外光子的偏振状态

 

在物理学中,描述一个自由光子的量子状态有很多种,其中有一种是光子的振动方向,也叫做偏振方向,地星量子隐形传态所传送的量子态就是加载在光子偏振上的。



比如,在这次的地星量子隐形传态实验,科学家想要传送的光子X,可能是以下六种偏振状态中的一种:0度偏振,90度偏振,45度偏振,135度偏振,左旋偏振,右旋偏振。

 


在西藏的阿里站中产生光子X的同时,科学家也同时让实验设备产生了一对纠缠光子A和B。他们让其中一个光子B瞄准在太空中高速运动的量子卫星,并让光子A和光子X同时经过一个联合bell测量装置,也就是让A和X产生相互作用。

 

紧接着,科学家在阿里站中用仪器测量并记录A和X的相互作用结果,卫星有效载荷也测量并记录光子B的偏振测量结果,之后通过对星地数据进行符合对比,最终确认光子X的量子态是不是已经通过隐形传态的方式传送到了光子B上。

 

在这次实验中,科学家一共向量子卫星传送了911个光子的状态,最远传送距离达到1400千米,并达到了较高的保真度。

 

总结:

 

量子传送(量子隐形传态实验)看起来像是科学家玩起了科幻,只是为了好玩。但实际上,量子传送非常有用。

 

比如,如果将来技术进一步发展,你可以将一组量子数据信息,传送到远方的一台量子计算机的内存上。

 

又比如,你可以将一对纠缠光子的量子状态,分别传送到远方的两个不同的粒子身上,让这两个粒子不用相互接触就可以发生量子纠缠。

 

再比如,你可以通过传送操作量子数据用的量子门,实现分布式的量子计算

 

 

 

到目前为止,量子科学实验卫星“墨子号”,已经提前圆满地完成了三大任务:

 

1. 星地量子密钥分发

2. 地星量子隐形传态

3. 千公里级量子纠缠分发,检验贝尔不等式

 

这些科学实验任务的成功,为我国在未来继续引领量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。




 

美指:牛猫

绘制:赏鉴

排版:胡豆

鸣谢:印娟,任继刚,廖胜凯

徐凭,彭承志,刘乃乐

 

本文版权归墨子沙龙所有

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参考文献:Ji-Gang Ren, et al., Ground-to-satellite quantum teleportation.


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