量子纠缠客观存在,为什么能瞬间传递自旋信息     DATE: 2020-06-06 10:46

在当代,“量子通信”可算是一个炙手可热的科学名词。提到量子通信,就不得不提到爱因斯坦以及爱因斯坦为了反驳玻尔时提出的一个EPR实验,虽然后来证明爱因斯坦在EPR实验上的主张是错误的,但EPR实验本身却成为了当代一个新学科——量子通信技术的源头。简单说吧,在1935年,爱因斯坦(E)和他的同事波多尔斯基(P)及罗森(R)提出了一个悖论,目的就是想指出量子理论是多么不切合实际,并因此开展了实验来验证,这个实验就是EPR实验。

在该实验中,爆炸使两个一个电子对中的两个电子沿相反方向以接近光的速度分开,因为电子属于费米子的一种,它具有半整数自旋的特性,而一个电子对中的两个电子的自旋动量值相加总是为0,即一个电子的旋转轴向上,另一个电子的旋转轴向下。在实际测量之前,人们并不知道单个电子的旋转方向。当两个电子相距十分遥远时,比如几光年,如果现在测量一个电子的旋转,并发现它的旋转轴向上,那么人们就会立刻知道另一个电子的旋转轴向下,反之亦然。

事实上,真实情况确实是这样的,发现其中一个电子的旋转轴向上的事实就迫使另一个电子的旋转轴方向向下,这意味着人们可以在极短的时间内知道了几光年以外的电子的情况。爱因斯坦因此指出,信息不可能跑得比光速还要快,这显然违反了狭义相对论。事后贝尔等人证明,事实上是爱因斯坦理解错了,EPR实验只能显示随机的信息,而不能传送非随机的、有用的信息,因为每次测量电子的自旋方向时,它都是随机的,测量者无法选择哪种确定的状态。说到底,这是由一个被称为“量子纠缠态”的物理现象决定的。

要理解量子纠缠态,首先要理解什么叫量子叠加态和波函数。在经典的传统物理学中,每个事物都有确定的状态,比如说一个物体位于A点,那么这个物体就不可能同时位于B点。但在量子力学中,物体可以同时处在A点和B点,这种状态就叫量子叠加态。但在测量之前,人们并不知道物体到底处在哪一个点上,人们知道的只是物体处在某个点上的概率有多大,这个概率用波函数来表示。现在如果对这个物体的位置进行精确测量,那么这个物体会随机出现在A点或者B点,会出现一个确定的状态。这个过程就叫“波函数坍塌”,也就是所谓的“观察过程确定粒子的最终状态”。(观察即测量,而物体由粒子构成。)

从上面所说的可以看出,量子纠缠是客观存在的。当两个粒子处于量子纠缠态时,意味着我们只需要测量其中的一个粒子,就可以立即知道另一个粒子的状态,而无需对另一个粒子也进行测量。表面上看,好像存在一种瞬时传递信息的能力,而且这种瞬时传递不受光速的限制。但事实上,在两个粒子之间,并没有发生相互之间的实实在在的信息传递,而仅是显示了一个随机的波函数坍塌过程。但是请千万注意,波函数本身并不能被直接测量(能被直接测量的是它的模平方),所以它并不直接对应一个物理实在。

说得更准确一点,波函数的坍塌并不是某个可观测的实体“轰隆”一声垮塌掉,它不会产生任何可观测的效应。不能产生可观测的效应,自然也就不能传递信息。这里需要说清楚一点,信息到底是什么?信息就是指一种能够把一个大集合映射到一个小集合的有用的“知识”。比如我对你传递一个信息“比赛赢了”,这里面的“输/赢”映射到了“赢”。

最后再说能量,能量是物理学中描写一个系统或一个过程的一个量,一个系统的能量可以被定义为从一个被定义的零能量的状态转换为该系统现状的功的总和。很显然,能量中包含的信息量太大了,既然量子纠缠不能传递有用的信息,当然也就更不能传递能量了。