03.02 量子糾纏比光速還快不違背相對論

量子糾纏比光速還快不違背相對論

作者簡介:袁嵐峰,中國科學技術大學副研究員,科技與戰略風雲學會會長

量子糾纏是個令很多人困惑的問題,在這裡介紹三點:

一、量子糾纏的現象比光速快;

二、但這不違反相對論,因為它不傳遞信息;

三、所謂“量子糾纏的速度比光速高4個量級”,是記者沒有理解科學家這個表述的完整上下文,導致的錯誤理解。

首先來簡短地介紹一下量子糾纏。這是一種量子力學理論所預言的現象,請注意是個預言,然後實際觀測到了,所以量子糾纏的機理是很清楚的,就是量子力學。絕不是像許多人以為的那樣,量子糾纏是個非常神秘的現象,沒有人知道它的機理云云。

量子糾纏這種現象,說的是一個多粒子體系有可能處於“糾纏態”,在數學上就是這個多粒子態不能寫成多個單粒子態的乘積,也就是說,它不是個“直積態”。

處於糾纏態就會怎麼樣呢?這時各個粒子就成了一個整體,你不可能只測量一個粒子的狀態而不影響其他粒子的狀態。當你測量一個粒子的狀態時,就導致其他粒子發生了同步的變化。

比如說,在一個常用的兩粒子糾纏態中,如果你對1號粒子測得0,那麼2號粒子必然同時也變成了0,而如果你對1號粒子測得1,那麼2號粒子必然同時也變成了1,兩者總是保持同樣的數值。在另一個常用的糾纏態中,兩個粒子總是反向變化的,一個變成0,另一個就必然變成1。這些都是常見的例子。

量子纠缠比光速还快不违背相对论

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根據量子力學的標準理論,這種多個粒子狀態的同步變化,是不需要時間的,是真正的瞬間變化。因此,人們很自然會問,這是不是違反了相對論?

回答是:沒有!相對論說的是,傳輸信息的速度不能超過光速。但如果一個過程不傳輸信息,那麼它完全可以超過光速。實際上這樣的過程早就有很多例子,都不需要量子糾纏。

仔細想一想,你就會明白量子糾纏沒有傳輸信息。如果A希望把一比特的信息“0”或“1”傳給遠處的B,那麼雙方需要事先約定好如何表示這個信息,比如說A想傳“0”時就讓B測得粒子2處於0,A想傳“1”時就讓B測得粒子2處於1。假如A能控制測量的結果,那麼這確實可以用來傳輸信息。

但是,量子力學的精髓恰恰在於測量的結果是隨機的,你不能控制,所以A測量粒子1得到的是一個隨機數,B測量粒子2得到的也是一個隨機數,只不過這兩個隨機數必然相等而已。你想傳一個比特,可是這兩個粒子完全不聽你指揮,所以你傳不了任何信息。既然沒傳輸信息,當然就不違反狹義相對論了!

最後,2015年的相關實驗,是在假設量子糾纏有一個有限的速度的前提下,去測量這個速度。做實驗的人當然都知道按照標準理論,這個速度應該是無限大。如果測量結果發現這個速度有個上限,那就真成大新聞了,推翻了標準理論。但實際上沒有,他們只是測出這個速度的下限,比光速高4個量級,也就是說至少是光速的一萬倍。這和標準理論是相容的。記者不知道這整個背景,所以報了個沒頭沒尾的東西。

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