科学认识君的《通俗物理100课》系列

【第13课：不可传递信息的量子纠缠】

最近写了好几篇量子力学的科普文，说实话，一般作者真是不愿意触碰量子力学。基本上不可能做到既严谨又通俗的程度，严谨和通俗不可兼得，就好像不确定性原理中的位置与动量信息不可兼得一样。

科与普的界限在量子层面上很难拿捏。真正要搞懂量子力学起码得博士水平，头脑中基本都是符号和公式，压根就没有对应的日常逻辑加以辅助理解。

笔者作为理论物理专业出身，也深知科普量子力学的艰难。本篇文章结论目前在科学界基本没有争议，具体的解释过程，我尽量通俗。

现在的量子力学被很多民科绑架了，并炮制了大量伪科学谣言。其中最大的谣言就是通过量子纠缠传递信息，甚至是宇宙航行。这种啼笑皆非的谣言曾误导了很多科学爱好者。

我曾经用数学上的方式解释过量子纠缠，感兴趣的读者可以翻翻我以前的文章。

今天重点不是科普量子纠缠原理，而主要强调量子纠缠为什么不可以传递信息。随便简单提一下量子纠缠的概念。量子纠缠就是说：把两个以上的粒子放在一个系统中，由于每个粒子都具有波函数，它们其中一些粒子的函数就会缠绕在一起，于是两个粒子就共用新的函数，这就是纠缠粒子。即便你把两个粒子分开，一个放在地球，另一个在太阳系外。对一个粒子测量，会同时影响到另一个粒子。至于为什么会这样，科学家们也争论纷纷。但科学家比较认同这样的观点：在某种意义上，这两个粒子其实是一个粒子，只不过在三维空间看起来是不同的个体而已。

在一对纠缠粒子中，对其中一个进行测量会同时引起另一个粒子的状态改变，并且这种改变不受距离的限制。这种现象在爱因斯坦看来太诡异了，这是要突破光速的节奏啊。

于是爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森一起发难哥本哈根学派对量子力学的诠释。他们三人的名字首位字母组合在一起就是EPR，于是我们也称纠缠粒子为EPR对。

当然，量子纠缠的确超光速了，潘建伟教授曾经在青海做过量子纠缠的下限速度实验，结果表明量子纠缠速度底线是光速的1万倍，上限还不清楚。但大部分科学认为量子纠缠上限是无穷大的，用速度描述它已经没有意义了。即便如此，量子纠缠仍却不可以用来传递信息和能量，而并没推翻相对论，这只是个科学史上的乌龙事件。

为什么量子纠缠不可以传递信息呢？

我们首先做个实验，我在地球上制备了一对纠缠粒子A和B。 现在我把A粒子放在地球上，通过宇宙飞船把B粒子运到火星上。地球和火星最近的距离5460万公里，光起码要走182秒。

A和B粒子其实不管相距多远都处于纠缠态。

如果我们在地球上对A进行测量会同时改变火星上的B粒子。其实纠缠粒子无非处于四种bell基。通俗地说，就是00、01、10、11四种状态，不测量A粒子你无法得知它的状态。只要测量A，它就坍缩成四种状态的其一。于此同时，B粒子也坍塌成其中之一的状态。

我们换个更通俗的说法，不测量A或B，它们的自旋值处于上和下的叠加状态。测量A后，发现它的自旋为上，那么在火星上的B粒子自旋就同时变为下。

那好，我起码知道了它们之间有关联，我可以利用这种关联传递信息吗？

试试就知道了。在宇航员未出发时，我和他一起规定自旋为上代表0，自旋为下代表1。那么我可以根据二进制传递所有信息了。比如我想告诉已经抵达火星的宇航员我的生日。比如6月初9，其十进制表达就是0609，转化成二进制就是1001100001

我可以通过测量地球上的A粒子达到控制火星上B粒子的自旋方向(测量后，A和B的自旋方向相反)。

出发前，我就曾和宇航员约定自旋为上代表二进制的0，自旋为下代表1。

为了让火星上的宇航员接收到1001100001的二进制信息串，我可以让A粒子的自旋方向随着时间变化成：上下下上上下下下下上，那么火星上的B粒子自旋方向就同步变成：下上上下下上上上上下，他再按照约定好的读取信息，那么宇航员读出的二进制数就是1001100001，转化成十进制就是0609。

如果地球人对A粒子进行一秒一次自旋方向操控，那么传递0609这样的信息只需要十秒。而火星和地球的最近距离连光也得走180多秒，就这样我们实现了超光速传递信息？

但你想得美！

自然规律否定了这种做法，因为对A进行测量得到的自旋方向永远都是随机的，你根本就无法按照自己的意愿操控自旋方向。不测量纠缠粒子，A和B就处于纠缠的叠加状态，测量导致叠加态坍缩，彼此确定成相反的自旋方向。但粒子的自旋结果都是随机坍缩的，这就是量子不可克隆性质，也是量子加密通信的基础原理之一。

量子纠缠的速度指的就是纠缠粒子相互作用的“速度”，理论上看，纠缠粒子是同时改变的。所以严格来说，速度对于量子纠缠来说已经没有意义。

事实上，量子纠缠不可以传递信息和能量，故不违背相对论。因为狭义相对论只规定物质的运动速度不可突破光速，量子纠缠只是一种自然现象，并不存在什么物质运动一说。

现代物理学告诉我们：物质可以传递信息，但速度不可以超光速。反之，自然现象可以超光速，但不能传递信息。比如某些频率段的电磁波的相速度和早期宇宙膨胀速度都超光速，但都不可以传递信息。传递信息和超光速不可兼得。