了不起的物理

73 量子糾纏:超光速通信存在嗎?

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量子糾纏是一個熱門的物理學概念,科幻小說裏經常會用到量子糾纏的概念。但大部分對量子糾纏的科普都存在一定問題,譬如“信息傳輸速度是光速的幾十倍”這樣的論調是完全錯誤的,因為量子糾纏根本不傳遞信息。

量子糾纏是純粹的量子力學效果。根據哥本哈根詮釋,一個量子係統能以不同概率同時處在不同狀態的疊加態。考慮兩個電子,它們作為一個整體,以50%的概率同時處在狀態A和狀態B。如果探測其中一個電子得到它在狀態A,則不用探測另外一個電子,就知道它也處在狀態A。因為這兩個電子作為一個整體,表現為同處狀態A和狀態B的疊加,其中一個電子的狀態確定了,另外一個也隨之確定,這就是典型的量子糾纏。

並且這兩個電子的糾纏態並不被它們之間的距離束縛,即便這兩個電子分隔幾光年遠,如果探測了其中一個粒子的狀態,由於它們處在糾纏態,也可以立刻知道另外一個粒子所處的狀態。這是否意味著信息超光速了呢?並非如此,因為這樣的探測是不傳遞信息的。

譬如,我跟你一人手上拿著一個電子,這兩個電子相互糾纏了。你去一光年以外的一個星球上找水源,我們約定,如果你找到了水源,可以以電子處在狀態A通知我,如果沒有水源就以狀態B通知我。但問題是你在測量你的電子的時候,測量出來的具體是A還是B,這個結果是隨機的,你無法控製,所以你無法傳遞確定的信息。因此,量子糾纏不存在信息傳遞超光速的問題。

量子糾纏概念其實最早是愛因斯坦為了要推翻不確定性原理做的思維實驗,愛因斯坦認為在量子糾纏中,出現了信息傳遞超光速的現象,而超光速是違背相對論的。同時,量子糾纏的根基是不確定性原理和哥本哈根詮釋,所以愛因斯坦認為,量子糾纏現象不可能存在。但事實是,量子糾纏現象的確存在,隻不過這兩個糾纏粒子的瞬間作用並不傳遞信息,這隻是一種“超距作用”。