量子四重奏：量子论、量子力学、量子纠缠、量子通信

量子论一般是指旧量子论，最早由普朗克在解释黑体辐射时引入的最小能量单位，后来被爱因斯坦通过对光量子化解释光电效应后一步步发展起来的，在早期量子论中，爱因斯坦是主要的研究者之一，所以爱因斯坦是量子论的主要奠基人。现在一般把普朗克、爱因斯坦等人发展起来的经典量子论称为旧量子论，以区分玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克等人发展起来的量子力学。

年轻时帅得不要不要的普朗克

量子力学是在研究双缝干涉实验时发现的诡异现象所提出的一套反常识的微观力学。里面产生一系列与常识相悖的现象，以致量子论的奠基人爱因斯坦等人都拒绝接受。特别是海森堡提出不确定性原理，剥夺了爱因斯坦一贯信奉的决定论。更有趣的是量子力学的主要奠基人——波动力学的创立者薛定谔也拒绝接受不确定性原理。薛定谔提出的波动力学能完美描述微观粒子在被测量前的行为，但是一旦发生测量，波动力学好像就失效了。然后海森堡提出的矩阵力学又完美接棒解释了测量后的粒子行为。然而矩阵力学却又解释不了测量前的状态，这就尴尬了_(:D)∠)_玻尔为代表的哥本哈根学派唯有提出一个波函数坍缩的过程来连接两套力学，并利用互补原理解释两套力学为什么不能同时发挥作用。最后玻恩证明两套力学是等价的。这种强行拼凑爱因斯坦当然是不卖账了，连“被拼凑”的薛定谔也不卖账，两人先后提出EPR佯谬和薛定谔的猫来给哥本哈根学派的量子力学致命一击，结果就引出了第三个玩意——量子纠缠。

最佳辩友玻尔和爱因斯坦

量子纠缠源自爱因斯坦、波多尔斯基、罗森共同提出的EPR佯谬，据说原始论文里的描述相当复杂，一般人看不懂_(:D)∠)_幸好我们有万能的科普，把它简化到小学生都看得懂的的样子。简化版是：当用特殊的方式产生一对互相纠缠的量子对，根据哥本哈根诠释，它们的状态在被测量前是不确定的，如果把这对纠缠量子对分离开一光年远，然后测量其中一个，再次根据哥本哈根诠释，它会马上随机坍缩为一个确定的量子态，而由于纠缠量子对符合某种守恒定律，另一个未知的量子态就会同时被确定，也就是说另一个粒子也同时坍缩了。那么问题来了，那飘到一光年外的另一个粒子是怎么知道该坍缩到哪个量子态的呢？在爱因斯坦看来，这就需要那个被测量的粒子把自己随机坍缩到的量子态告知飘到一光年外的另一个粒子，这就需要在两个粒子间传递信息了，然而根据狭义相对论，信息传递是不能超过光速的，那么另一个粒子就得等一年后才能知道该如何坍缩。然而根据守恒定律它又必须马上坍缩_(:D)∠)_这就很尴尬了。。。当然万能的玻尔是不服输的，很快他就找到了解决方案：纠缠的量子对是一个整体，在测量前不能把它视作两个不同的个体，测量导致波函数坍缩后它们才成为两个个体 。这解释相当野蛮，爱因斯坦当然不服了，不过也没法说啥了。。。

后来的事大家都知道了，科学家设计了一个称为贝尔实验来验证了量子纠缠，量子力学是对的，爱因斯坦错了。但注意，是量子力学是对的，也就是纠缠量子对确实是随机坍缩的，也确实是超过光速传递信息的速度坍缩的。但没证明玻尔的野蛮解释是对的╮(╯_╰)╭

量子纠缠

最后是量子通信。这主要也是基于前面提到的那个测量前的不确定状态，也就是量子力学里的叠加态。而量子通信并不是像很多人理解的那样通过量子纠缠实现超光速通信，这条路在理论上是行不通的，目前的量子通信主要还是用于加密方面，由于量子测量坍缩的随机性，通过巧妙的方法就可以实现加密通信，这方面的方案有好几种，比如我国墨子号所用的是BB84协议，这个早在80年代就提出了，有些人认为量子加密通信是潘建伟忽悠人，实际上这方案早就有了，潘建伟只是把它做出来，并且做到天上去了O(∩_∩)O~而这个加密方案并没有使用量子纠缠。另一个保密通信方式是反事实通信，这是反其道而行利用量子芝诺效应实现的。

墨子号量子实验卫星

利用量子纠缠传递信息会比光通信更快吗？

自爱因斯坦于1905年首次提出相对论以来，物理学的最基本规则之一就是，任何类型的信息传递信号都无法以比光速更快的速度穿过宇宙。将信息从一个位置传输到另一位置需要粒子，无论是质量粒子还是无质量粒子，这些粒子都必须按照相对性规则在光速以下速度移动。

​然而，自量子力学发展以来，许多人试图利用量子纠缠的力量来颠覆这个规则，设计出巧妙的方案，宣扬通过量子纠缠传递信息比光速快。尽管这是围绕我们的宇宙规则进行的令人钦佩的尝试，但光速通信仍然是不可能的。

图注：翻转硬币应导致获得硬币正面或反面的50/50结果。然而，如果两个"量子"硬币纠缠在一起，测量其中一个硬币（头或尾）的结果，可以为您提供信息，比随机猜测更好。然而，这些信息只能以光速或较慢的速度从一枚硬币传输到另一枚硬币。

从概念上讲，量子纠缠是一个简单的想法。你可以从想象经典宇宙开始，你可以执行最简单的"随机"实验之一：进行硬币翻转。如果你和我有一个公平掷硬币机会，我们每个人获得硬币正面和反面的机会50/50。您的结果和我的结果既应该是随机的，而且应该是独立且不相关的：无论硬币正反的结果如何，我得到的正面还是反面的赔率仍应为50/50。

但是，如果这毕竟不是经典系统，而是量子系统，那么您的硬币和我的硬币可能会纠缠在一起。我们可能每个人仍然50/50的正面或反面的机会，但是如果您放入硬币并测量正面，您将能够立即统计地预测我的硬币正面或反面是否有可能落在50/50以上的精度上。

图注：通过从预先存在的系统中创建两个纠缠的光子，并将它们远距离分隔，我们可以通过测量另一个光子的状态（甚至从极其不同的位置）来"传送"有关一个光子的状态的信息。对量子物理学既要求局域性又要求实在性的解释不能解释观测结果，但多重解释似乎能解释得很好。

这怎么可能？在量子物理学中，存在一种称为量子纠缠的现象，即产生多个量子粒子——每个粒子都有各自的量子态——在那里，你对两种状态的总和有重要的了解。就好像有一个无形的线连接着你的硬币和我的硬币，当我们中的一个人对我们拥有的硬币进行测量时，我们立刻就知道另一枚硬币的状态超出了熟悉的古典随机性。

这也不是单纯的理论工作。我们创建了一对纠缠的量子（具体的光子），然后相互携带，直到它们被大距离隔开，然后我们使用两个独立的测量仪器进行测量，仪器能告诉我们每个粒子的量子状态是什么。我们尽可能同时进行这些测量，然后聚在一起比较我们的结果。

我们发现，也许令人惊讶的是，你的结果和我的结果是相关的！在进行这些测量之前，我们分离了两个光子数百公里的距离，然后在彼此的纳秒之内测量它们的量子态。如果其中一个光子旋转 +1，则可以预测另一个光子的状态约为 75% 的精度，而不是标准的 50%。

此外，我们可以立即"知道"这些信息，而不是等待其他测量设备向我们发送该信号的结果，这将需要大约一毫秒。从表面上看，我们似乎可以知道一些关于纠缠实验另一端正在发生的事情的信息，不仅比光快，而且比用光速传输信息的速度快几万倍。

图注：如果两个粒子纠缠在一起，它们具有互补的波函数特性，而测量一个粒子确定另一个粒子的属性。但是，如果创建两个纠缠的粒子或系统，并测量一个粒子在另一个衰变之前如何衰变，您应该能够测试时间反转对称性是保持还是违反。

这是否意味着我们可以利用量子纠缠以比光速更快的速度传达信息？看起来可能如此。例如，您可以尝试按照以下方式组合实验：

您可以在一个（源）位置准备大量纠缠的量子粒子。将一组纠缠对传输到长距离（到目标），同时将另一组传输在源处。在目标处有一个观察者寻找某种信号，并强制其纠缠的粒子进入 +1 状态（对于正极信号）或 -1 状态（对于负信号）。然后，在源处对纠缠对进行测量，并确定在目标处的观察者选择的状态的可能性大于 50/50。 图注：电子通过双狭缝的波模式。如果你测量电子经过的"哪条狭缝"，就会破坏这里显示的量子干涉模式。不管解释如何，量子实验似乎都关心我们是否进行某些观察和测量（或强迫某些相互作用）。

这似乎是一个伟大的设置，使更快的比光通信。您所需要的只是一个充分准备的纠缠量子粒子系统，一个约定的系统，当你进行测量时，各种信号的含义，以及一个预先确定的时间，您将在这个时间进行这些关键测量。甚至相距光年，你也能通过观察你身旁的粒子，立即了解在目的地测量粒子发生什么。

这是真的吗？

这是一个非常聪明的方案，但一点效果都没有。当您在原始来源进行这些关键测量时，您会发现一些非常令人失望的情况：您的结果只是显示处于 +1 或 -1 状态的 50/50 几率，好像从来没有发生过任何纠缠。

图注：第三方面实验的原理，测试量子非局部性。来自源的纠缠光子被发送到两个快速开关，这些传感器将引导到极化探测器。开关会非常快速地更改设置，从而在光子飞行时有效地更改实验的探测器设置。不同的设置，令人费解的是，导致不同的实验结果。

我们的方案在哪里失败？在这个步骤中，我们让目的地的观察者进行观察，并尝试将这些信息编码到他们的量子态中。

当你采取这一步骤——迫使一对纠缠的粒子的一个成员进入特定的量子状态——你打破了两个粒子之间的纠缠。也就是说，纠缠对的另一个成员完全不受此"强制"操作的影响，其量子状态仍然是随机的，作为 +1 和 -1 量子态的叠加。但是你所做的是完全打破测量结果之间的相关性。您"强制"目标粒子进入的状态现在 100% 与源粒子的量子状态无关。

图注：量子橡皮擦实验设置，其中分离和测量两个纠缠的粒子。一个粒子在目的地的改变不会影响另一个粒子的结果。您可以将量子橡皮擦等原理与双缝实验相结合，看看通过测量狭缝本身发生的情况来保留或销毁或查看或不查看所创建的信息会发生什么情况。

唯一可以回避这个问题的方法是，如果有一些方法进行量子测量，以迫使一个特定的结果。（注：这不是物理定律所允许的。）

如果可以做到这一点，那么目的地的某个人可以进行观测，例如，了解他们访问的行星是否有人居住，然后使用一些未知过程来：

测量它们的量子粒子状态如果地球有人居住，结果将变成+1，如果地球无人居住，结果将变成-1，从而使带有纠缠对的源观察者能够即时地找出这个遥远的星球是否有人居住。

不幸的是，量子测量的结果是不可避免的随机的；不能将首选结果编码为量子测量。

图注：即使利用量子纠缠，在知道庄家手里拿什么的时候，也不可能比随机猜测做得更好。

正如量子物理学家查德·奥泽尔（Chad Orzel）所写的那样，测量（保持两对之间的纠缠）和强迫特定结果（本身就是状态变化）之间有很大的区别。如果你想控制，而不是简单地测量量子粒子的状态，一旦你使状态变化操作发生，你将失去你对组合系统的完整状态的知识。

量子纠缠只能用来通过测量另一个分量来获得量子系统一个分量的信息，这样纠缠就不会破坏。你不能做的是在纠缠系统的一端创建信息，然后以某种方式将其发送到另一端。如果你能以某种方式复制相同的量子态，那么比光更快的通信毕竟是可能的，但是物理定律是禁止这样做的。

图注：如果你能以某种方式获取量子态并制作一个相同的拷贝，就有可能炮制出一个比光更快的通信方案。然而，一个有效的无克隆定理早在20世纪70年代和80年代就被多个独立方证明，因为试图测量量子态（知道它是什么）的行为从根本上改变了结果。

利用量子纠缠的奇异物理原理，你可以做很多事，比如创建一个量子锁和密钥系统，这个系统用纯经典计算是牢不可破解的。但是，你不能复制或克隆量子态，因为读取这个状态的行为就从根本上改变它的行为一样，任何实现量子纠缠的超光通信的可行方案都这样做了。

量子纠缠在实践中的实际工作方式有很多微妙之处，但关键是：在保持粒子之间的纠缠的同时，没有强制特定结果的测量程序。任何量子测量的结果都是随机的，否定了这种可能性。事实证明，上帝确实在与宇宙玩骰子，这是一件好事。任何信息都无法比光更快地发送，从而仍然为我们的宇宙保持因果关系。

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