量子十問之二：“愛因斯坦幽靈”能用來實(shí)現(xiàn)超光速通信嗎？

愛因斯坦

　　大家知道，愛因斯坦對量子力學(xué)的發(fā)展做出極其重要的貢獻(xiàn)。然而，愛因斯坦并不喜歡“量子世界的概率性”，他不相信上帝會以擲骰子的方式創(chuàng)造世界，尤其不能認(rèn)同以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的詮釋。因此，他多次與玻爾就量子力學(xué)基本問題發(fā)生激烈爭論，不過每次他都以失敗告終。后來，愛因斯坦便改變爭論的策略，即從量子力學(xué)原理出發(fā)，推演出一個(gè)十分荒謬的結(jié)果，以期來證明，量子力學(xué)用于描述世界是“不完備的”，這就是愛因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯謬”。

　　EPR佯謬

　　設(shè)想有一個(gè)量子系統(tǒng)由兩個(gè)自旋為1/2的粒子構(gòu)成，每個(gè)粒子的自旋要么向上（↑），要么向下（↓），但兩個(gè)粒子的總自旋為零，這意味他們總是處于自旋相反的狀態(tài)。現(xiàn)在將粒子A和B分別配置于相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)地方，例如，A在地球上，B在月球上。按照量子力學(xué)的預(yù)言，每個(gè)粒子的自旋方向是不確定的，在任何方向上測量會有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被測量并發(fā)現(xiàn)其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不測量也能確定其自旋必定向上，因?yàn)锳B自旋總是相反的?？梢姡厍蛏螦未測量時(shí)，月球上B只有一半概率向上，而地球上A一旦被測量，并發(fā)現(xiàn)自旋向下，那月球上的B立刻以百分之百概率處于自旋向上的狀態(tài)。月球上B的狀態(tài)似乎是瞬時(shí)被地球上A的測量所控制，這種控制行為以超光速方式發(fā)生。這就是從量子力學(xué)原理推演出來的必然結(jié)果。

　　愛因斯坦由此斷定，“超光速”行為是絕對不可能發(fā)生，他稱之為“幽靈般的超距作用”。量子力學(xué)造就出這個(gè)不可能存在的“幽靈”，由此可見“量子力學(xué)是不完備的”，不足以正確地描述真實(shí)的世界，為正確地描述世界，必須從量子力學(xué)體系之外引進(jìn)新的參數(shù)（俗稱為隱參數(shù)），來消除“量子世界的概率性”，這個(gè)“幽靈”也自然就消失掉！這就是EPR佯謬的故事。

　　那么量子力學(xué)如何應(yīng)對EPR佯謬？如何解釋這個(gè)神奇的幽靈呢？首先，在EPR實(shí)驗(yàn)中，月球上B雖然測到自旋向上，但僅從這次測量的結(jié)果，無法推斷出它是以50%還是100%的概率獲得此結(jié)果的，換句話說，它根本不可能由此知道地球上A是否被測量這個(gè)信息，因此這里根本不存在“信息傳送”。即使“幽靈”超光速，也不違背狹義相對論“信息傳送不能超光速”的原理。

　　上述EPR實(shí)驗(yàn)中，似乎地球上A的測量是“因”，而月球上B的后測量是其“果”，而“幽靈”擔(dān)負(fù)著這個(gè)“因果”關(guān)聯(lián)的角色。

　　但是，如果同時(shí)在地球上和月球上分別測量A和B，結(jié)果應(yīng)如何呢？量子力學(xué)預(yù)言，每次A和B的測量結(jié)果自旋總是相反的，而且多次重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，單獨(dú)看每個(gè)粒子測量的結(jié)果系列則是完全隨機(jī)的，A和B兩個(gè)隨機(jī)序列則是完全關(guān)聯(lián)，自旋總是相反的，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果是完全關(guān)聯(lián)的隨機(jī)數(shù)序列，這時(shí)不再存在“因”“果”之別了，“幽靈”并不從某處傳到另一處，而是扮演將兩個(gè)隨機(jī)序列關(guān)聯(lián)起來的角色！

　　設(shè)想我們有100份EPR粒子對（AB）,其中所有A粒子都在地球上，而所有B粒子都在月球，重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是地球上所測的100個(gè)A粒子自旋向上或向下是完全隨機(jī)的序列，而是大約一半向上，一半向下。同樣的，月球上B粒子的測量結(jié)果也是向上，向下完全隨機(jī)的序列，向上或向下的數(shù)量大約各占一半。但是最令人驚奇的是，地球和月球上分別測到的這兩個(gè)隨即序列是完全關(guān)聯(lián)的：第ii對EPR粒子中AiAi與BiBi自旋總是相反的。每對EPR粒子都毫無例外是這個(gè)結(jié)果。

　　我們知道，量子世界遵從量子態(tài)疊加原理。EPR中的量子系統(tǒng)，是由兩個(gè)總自旋為零的粒子構(gòu)成的，這個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)同樣符合疊加原理?？傋孕秊榱愕臓顟B(tài)只有兩種可能↑?A|↓?B和|↓?A|↑?B，因此，AB系統(tǒng)的狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是ψ?AB=α|↑?A|↓?B+β|↓?A+|↑?B|ψ?AB=α|↑?A|↓?B+β|↓?A+|↑?B（|α|2+|β|2=1|α|2+|β|2=1），這個(gè)特殊的狀態(tài)稱為“糾纏態(tài)”。處于糾纏態(tài)的粒子，即使空間上分離遙遠(yuǎn)，仍然存在內(nèi)在量子關(guān)聯(lián)，對其中一個(gè)粒子的任何操作都會瞬時(shí)地改變另一個(gè)粒子的狀態(tài)。所謂“幽靈”，就是這種糾纏！一旦兩個(gè)粒子存在糾纏，它們的量子關(guān)聯(lián)與粒子之間的距離無關(guān)，與空間環(huán)境無關(guān)，任何電磁屏蔽、引力屏蔽等都無法斬?cái)噙@種內(nèi)稟關(guān)聯(lián)。這種量子關(guān)聯(lián)源于量子世界的一種基本屬性，稱為“非局域性”，這便是“幽靈”的因源！

　　因此，物理學(xué)界對EPR佯謬的解釋就出現(xiàn)兩種截然不同的觀點(diǎn)：愛因斯坦等人認(rèn)為：“幽靈”不存在，世界是局域的，量子力學(xué)不完備，必須以“隱參數(shù)理論”代之；玻爾等人認(rèn)為：量子世界是非局域的，“幽靈”理應(yīng)存在，量子力學(xué)是完備的，無需引入“隱參數(shù)”。世界究竟是“局域”還是“非局域”這是個(gè)哲學(xué)問題，難以斷定孰是孰非！多虧歐洲核子研究中心的理論物理專家貝爾（Bell）的貢獻(xiàn)才打破了這個(gè)僵局。貝爾本人實(shí)際上是愛因斯坦的鐵桿粉絲，他認(rèn)為愛因斯坦更聰明，“隱參數(shù)理論”應(yīng)當(dāng)是正確的。1964年，他推導(dǎo)出一個(gè)有關(guān)EPR實(shí)驗(yàn)的不等式，即著名的“貝爾不等式”。如果能驗(yàn)證這個(gè)不等式被違背，則“隱參數(shù)理論”就不成立。

　　1982年，法國學(xué)者阿斯派克特首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)，貝爾不等式被違背。其后人們采用各種物理系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)手段開展實(shí)驗(yàn)研究，最終無漏洞地證實(shí)，貝爾不等式被違背，量子力學(xué)是完備的，非局域性是量子世界的重要基本性質(zhì)。因此，關(guān)于EPR佯謬這場經(jīng)歷了60多年精彩絕倫的學(xué)術(shù)爭論到了該謝幕的時(shí)刻了！愛因斯坦如果在天有靈，看到他質(zhì)疑量子力學(xué)完備性而提出的EPR佯謬，終被證明是“佯”而不“謬”，反而揭示出量子世界的非局域性這個(gè)最基本性質(zhì)，不知會有何感想？

　　阿斯派克特

　　為便于理解量子世界的非局域性，我們舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦樱涸诤戏实哪赣H，當(dāng)她在深圳的女兒生下頭胎嬰兒的那一瞬間，她立刻升格為外婆，這就類似于EPR效應(yīng)。這件事并不需要時(shí)間就發(fā)生了，盡管母親并不知道關(guān)于她女兒生下嬰兒的任何信息。原因在于母女之間的身份關(guān)聯(lián)，女兒成為母親的瞬間就必然導(dǎo)致自己的母親變成外婆。

　　既然“量子世界”確實(shí)存在“超光速”的“幽靈”，那么人們自然會問，能否將這個(gè)“幽靈”引到我們的經(jīng)典世界中來，開發(fā)出“超光速通信”？許多科學(xué)家進(jìn)行了不懈努力，最終的結(jié)論是，這是絕對不會成功的。量子力學(xué)的基本原理業(yè)已證明，不可能利用糾纏態(tài)來實(shí)現(xiàn)超光速通信。（中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

　　轉(zhuǎn)自：C114通信網(wǎng)

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