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中国量子卫星实现超光速通信?量子纠缠不允许

中国在最近发射了一枚卫星用于测试量子纠缠。这是一项有趣的实验,这将有望实现“防黑客”的卫星通信。

然而,这也导致了一系列的文章声称量子纠缠能允许超光速的通信。虽然有多个科学博客已经指出为什么这是错误的,但是这值得再次强调:量子纠缠不允许速度超过光速的通信。

这种误解是源于量子理论的通俗化推广方式。量子客体可以是粒子和波,即具有波粒二象性。它们有一个波函数能描述特定结果的概率,而当测量这个量子客体时,它就会坍缩进入一个特殊的粒子状态。

不幸的是,这种量子理论的哥本哈根解释掩盖了大部分的微妙量子行为,所以当它应用于纠缠时,就会看似有点矛盾。

最受欢迎的量子纠缠例子被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森(Einstein-Podolsky-Rosen,EPR)的实验。

取一个两个物体的系统,比如两个光子,这样它们的和有一个特定的已知结果。通常,这表现为它们的极化或自旋,这样总和必须为零。如果一个光子测得是处于1的状态,那另一个光子必定处于-1的状态。由于一个光子的结果影响另一个光子的结果,就说这两个光子是量子纠缠的。

在哥本哈根的观点看来,如果两个纠缠光子被分隔在相距很远的地方(原则上,甚至是相距光年以上),当测量一个光子的状态时,就能立即知道另一个光子的状态。为了让两个粒子的波函数瞬间坍缩,那两个光子之间的交流就必须超光速,对吗?

一种很流行的反观点认为虽然波函数坍缩速度超过光速,但这不能用于发送超光速的消息,因为结果是统计学上的。

如果我们相隔数光年,我们双方都知道对方的纠缠光子对的结果,但是每一对纠缠光子的结果是随机的(由于量子不确定性),所以我们就不能迫使光子有一个特定的结果。

现实是更微妙,并且要更有趣的多。虽然量子系统往往被视为很脆弱的东西,只要最轻微的相互作用就会使它们坍缩到一个特定状态,但事实并非如此。

纠缠系统实际上可以用各种各样的方法来操纵,甚至可以操纵它们拥有一个特定的结果。例如,我们能以不同的特定量子态创造出纠缠光子对。一个状态可以代表1,另一个则是0。

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