前言

21世纪,物理学的两大支柱:一个是爱因斯坦创立的《相对论》,另一个是“一群小伙子”创立的《量子力学》。

正文

熟悉物理学朋友的,应该比较熟悉《(狭义)相对论》中两条基本假设:

信息的传输是否超越了光速?-量子客

 量子隐性传输示意图

  1. 物理学定律在所有惯性系中具有不变的形式(也即:相对性原理)。
  2. 自由空间中,光传播速度具有相同的数值,与惯性系的运动速度无关,因而与光源速度无关。(也即:光速不变原理。)

其中第二条假设,也即我们今天所要论证的重点。随着量子信息科学的发展,量子隐性传输(Teleportaion)在实验中扮演了一种超时空传输的角色。我先大概简要的介绍一下,超时空传输的概念,这样有助于大家理解。假设现在有两个人,分别记为Alice和Bob。他们共享一对纠缠粒子(纠缠态一般制备成四个Bell态中的一个),分别标记为A和B。然后我们想通过Alice向Bob传输一个未知的量子态c,并假设状态c制备在粒子C上。此时我们不需要直接把C传递给Bob,而是首先考虑ABC整体的态 (AB)C,也即AB与C的状态做直积。然后选择一个对应的测量基,对AC做一个Bell测量(投影到四个Bell态中的一个)。然后把测量的值,通过经典信道“告诉”给B,然后B再做相应的幺正操作,就可以得到C的信息了。

其实量子隐性传输实验早在1996年就已经在实验上实现了。从最原始的几厘米,到现在的1400多千米(墨子号实验)的验证,已经在实验上论证超时空传输的可行性。然而很多人,误以为超时空传输,真的就算“超时空传输”,想当然的认为这种超时空传输,是超光速的。其实这是一个错误的概念,为什么这么讲呢?

首先爱因斯坦的理论,已经告诉大家:光速是最大的极限,不可能有超光速的物体出现。(至少爱因斯坦的理论, 经过4/5历史的检验都是正确。目前还没有特例出现。)其次我们再分析一下我们的问题,量子通信超光速了么?其中至关重要的信息是,在量子通信这个过程当中,我们涉及到了“经典信道”的信息传输。那么很显然,一旦涉及到经典信道的信息传输,我们的量子通信的速度不可能超过光速。所以量子通信的速度不能超过光速,信息的传输也不可能超过光速。

结论

有的朋友可能疑惑了,“对两个粒子纠缠的粒子中的一个粒子做测量,另一个粒子就马上知道做测量的结果,这难道不算是信息的传递么?”在这里我们要明确两个概念,什么是信息?什么是纠缠?熟悉量子物理的朋友,肯定知道纠缠所带来的“关联”的传递的确是超光速了,理论上应该是瞬时的(实验上测量大概比光速大5-6个量级)。但是纠缠只是一种性质,没有编码或者荷载任何信息。只有被编码了信息之后(比如自旋向下与向上分别对应比特0和比特1),相应的物理系统才能算作是“有用”的信息载体。需要通过纠缠传递信息的时候,需要对编码的信息(比如自旋)进行测量操作,把操作的结果通过经典信道发送到接受者,这样接受者才能做对应的变换从而得到发送者想要传输的信息。

 

 


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