量子理论与相对论水火不容，却有一点是如此的默契

在经典运动学中，任何物体的运动和作用都经由空间进行连续传播，在时空参照系都是可描述的。然而，量子力学的超距作用似乎并不遵循这种经典物理学中的连续性，而是具有一种本质上的瞬时性和非连续性，它无法用我们熟悉的空间传播过程来完成其相应的“超距作用”的描述。这很令爱因斯坦头疼，因为这与爱因斯坦的相对论（本文中指狭义相对论）格格不入。相对论是针对连续运动的描述——无论相对性假设还是光速不变性的假设，而量子纠缠中的“超距作用”现象，显然与爱因斯坦的相对论是相违逆的。爱因斯坦也因此后半生苦苦寻觅它们之间的相通桥梁，最终遗憾而去。

量子理论与爱因斯坦的相对论如此的水火难容，但是它们却有一点是如此的默契相通。究竟是什么地方默契相通呢？莫急，我们一点点分析讨论。

量子力学中发现的“量子纠缠”现象表现出来的“超距作用”，使不少物理科学家都思考到：如果能够通过“量子纠缠的超距作用”进行通信，岂不快哉？

这种想法的确不错，如果可以实现，人与人之间的通信以及各种信息之间的传递，都将瞬间即时到达，可谓是基本上无需时间的计量。有时候梦想可能会被无情的现实所冲破，但有的时候，美好的现实正是源于我们曾经美好的梦想，不是吗？想想量子力学里那几个奇异量子实验所呈现出来的奇异现象，不正是很好地印证了我们后者的话语吗？

此处我们不讨论量子力学里的那几个怪异实验（“水木长龙”之前有很多这方面的文章，感兴趣读者可自行翻阅），主要探讨“超光速通信”是否可行。

为了每个读者都能读懂，我们先简单介绍一下什么是“量子纠缠”和“超距作用”。

在量子力学里，两个以上（包括两个）的粒子相互作用后彼此分开，无论分开的距离有多远，彼此之间仍然会存在着某种非定域性的关联。当对该系统中的其中一个粒子进行测量时，会瞬间影响到其它的粒子，从而导致其它粒子的原先状态发生相应的瞬间改变。这就是“量子纠缠现象”。而在测量的影响下，呈现出来的彼此“感应”从而使其它粒子的状态随着被测量粒子状态的变化而瞬间发生相应状态改变的现象即为“超距作用”（超越光速，超越时空）。

而量子的“超光速通信”，就是欲借助“量子纠缠”现象呈现出的这种“超距作用”来实现通信技术的一种设想。那么，这种设想能否实现呢？

如果想实现，必须先突围6种阻挠。

第一，单个未知量子态的不可全测是阻挠“超光速通信”的第一道门槛。

以我们科学家目前对量子理论的研究以及所掌握的量子技术可得知：仅单个未知量子态也是无法也不可能被完全测知。这就给出了第一道门槛的限制。比如，对于处于纠缠态的两个电子，当沿着一个方向测量其中一个电子为上旋时，那么可知另一电子沿该方向为下旋状态，但是却不能获悉其它所有方向的旋转状态。如果不明白，我们可以再举例：有两本「量子宇宙」书，一本是第一版，一本是第二版，我们分别标记为Ⅰ和Ⅱ。对于第二版Ⅱ，作者C将部分内容稍做了修改。现在C随机将这两本书分别寄给好友A和B，并打电话告诉他们两个版本是随机发的。究竟A和B分别收到的是Ⅰ还是Ⅱ，A、B、C都不知晓，只知道两本书处于一种“纠缠态”——即只要知道其中一本就可以得知对方获得的是另一本。假如A收到了Ⅰ，那么对于A来说可以肯定B收到的是Ⅱ，但是A只知道B收到的是第二版Ⅱ，却无法得知Ⅱ的修改内容，也无法知道封面颜色、图案、尺寸大小等是否与Ⅰ一样。对于A来说，虽然在看到自己的书的瞬间能超光速获知B收到书的信息，却只知道个大概，并不全面。这就是单个未知量子态的不可全测的限制，从而也就阻挠了人类“超光速通信”的可能性。

第二，非正交量子态的不可区分是阻挠“超光速通信”的第二道门槛。

“非正交量子态”是什么？该如何理解呢？不如我们这样理解：我们知道处于纠缠态的两个正负电子，当测知其中一个为左旋时，必然得知另一个为右旋。这是根据处于纠缠态中两电子的“旋转纠缠特性”来获知在测量到一个电子的旋转状态时便可立即判断出另一电子的波函数坍缩后会是什么旋转状态的方法。但是，第一道门槛时我们说了，单个未知量子态具有不可全测的阻挠。假如处于纠缠态的一对量子，在形成的纠缠系统中旋转状态并不正交——当测知一个向左，另一个必然会向右——而是都向左，或者都向右，也就是说纠缠的本征特性不再以“旋转正交”为判断依据，而是以某种我们不知道的未知特征为依据，这时以我们的“不可知”如何去实现“超光速信息”的获取呢？所以，非正交量子态的不可区分是阻挠“超光速通信”的第二道门槛。

第三，测量所导致的随机坍缩是阻挠“超光速通信”的第三道门槛。

在量子力学里，对于处于纠缠系统中的量子而言，在未进行测量之前——即波函数坍缩之前，每一个纠缠中的量子都处于各种可能性的叠加态。只有在进行测量的时候，随着波函数的坍缩，被测量的量子才会呈现出具体的状态。如果知道该纠缠系统的“本征纠缠特性”，那么便可以根据测量的量子瞬间超光速地获知另一处于纠缠态中的量子状态，因为测量在导致被测量子波函数坍缩的时候，会超距瞬间影响到另一量子的波函数同时出现坍缩过程。但是，对于纠缠中的两个量子，如果“本征纠缠特性”不是正交的两个，而是具有多种可能状态值，比如：如果量子1被测是A+B状态，那么可以得知量子2是C、D或者C+D状态中的某一种状态；当测得量子1为B+D状态时，可以得知量子2的状态为A、C或A+C状态中的某一种。但是，无论测得量子1的确切状态如何，只能在其波函数坍缩的时候，得知量子2处于三种可能坍缩结果中的其中一种，而无法确切地知道量子2究竟是哪一种坍缩结果。这就是测量所导致的随机坍缩是阻挠“超光速通信”的第三道门槛。

第四，贝尔定理的非定域关联测量是阻挠“超光速通信”的第四道门槛。

如果对于“多量子纠缠”——超过两个纠缠量子——系统中的量子进行测量，测量需要进行多次，才能最终确定每一个量子波函数坍缩后的最终确定结果。而这需要花费更多的时间，仅“测量”就已经阻断了超光速的可能性。所以，贝尔定理的非定域关联测量是阻挠“超光速通信”的第四道门槛。

第五，纠缠态的一次性坍缩是阻挠“超光速通信”的第五道门槛。

其实，水木认为这第五条才是最为关键，甚至应该作为前四条之首——第一道门槛才对。之所以放到第五，量子学界还存有诸多争议。此处，水木这样解释：对处于纠缠态中的两个量子，当对其中一个量子进行了测量，在导致该量子的波函数发生坍缩时，另一个纠缠态的量子波函数也会同时发生坍缩，从而两个纠缠态的量子就会在测量下分别但同时坍缩为确定的状态，一旦状态确定，也就解开了彼此的纠缠关系，而变成了独立存在状态——之后，无论再怎么对这曾经处于纠缠态的两个量子进行测量，都不会再发生状态的改变，因为纠缠态已经被测量解除了关联。既然如此，“量子超距通信”又怎么可能实现？尤其加密就更不可能了。

假如，甲想要向乙传递信息，信息内容是“探索科学宇宙”。然后，甲通过与编码后的量子处于所谓的“纠缠态”的一系列量子向乙传递了过去。然后，当乙观测时，出现所谓的“波函数坍缩”，随机形成确定的一系列量子状态，乙开始根据状态进行解码，最后得到“探索科学宇宙”六个字内容。但是，不觉得有哪里不对劲吗？是啊，怎么感觉像什么什么那个码似的？这是利用的“量子超距通信”以及“量子加密”吗？

我们来分析一下。

首先，甲在编码的时候，就已经知道了信息内容——如果不知道是无法进行精准信息编码的——相当于已经测量过。既然已经测量过，通过量子进行编码的量子状态选择也就等于确定了，还如何通过“量子纠缠态”进行超距通信呢？

其次，用量子编码即使可以实现“超距通信”，即使六个汉字，通过量子编码以及“量子纠缠”技术进行信息传递，估计甲或者乙只对一个个的量子进行测量就要花去不可思议的时间，还谈什么“超光速”？岂不得不偿失？

最后，即使甲没有破坏量子纠缠态，那么乙在观测的时候，所获得的信息究竟是中途被人已经观测过的信息呢？还是甲先观测后而导致乙那边的纠缠态早已坍缩后的信息呢？或者真的就是乙的观测导致的波函数坍缩后的信息呢？因为纠缠态只能坍缩一次，这似乎没法确定是不是被乙弄坍缩的。所以加密似乎也不可行。故纠缠态的一次性坍缩是阻挠“超光速通信”的第五道门槛。

第六，隐形态算法是阻挠“超光速通信”的第六道门槛。

有研究学者提出“隐形变量纠缠”的超光速通信方法。具体是：量子1、2、3共三个量子彼此处于纠缠态。当测量到量子1为A或B或C状态时，可以获知剩余的两个量子是余下两种状态，只要再对量子2或3测量一个，就可以知道三个量子的各自状态。为了信息的安全性，甲与乙相约彼此各测量一次自己处的量子1和2，然后与最后确定的量子3进行运算，从而得到最终的信息。但是，前提时，无论甲还是乙为了得知第三个量子信息，彼此必须通过电话沟通，如此浪费的时间，早已超过光速传播的时间，岂能真正的算是“超光速通信”？所以，隐形态算法是阻挠“超光速通信”的第六道门槛。

看来，以我们科学家目前所掌握的量子科技，似乎还很难真正实现真正的“超光速通信”，或许未来会找到真正超光速通信的方法，让我们拭目以待吧。同时，有可能的话，不如让我们一起探索量子之谜吧。科学探索是全人类的事，不是吗？

文章结尾，我们要与主题相呼应一下：爱因斯坦的相对论将人类限制在了光速以内，根据以上对量子“超光速通信”的分析，我们不难得出，似乎“量子理论”也将人类限制在了光速以内。量子理论与相对论格格不入，却还有如此默契之处，爱因斯坦泉下有知，是否会稍感安慰呢？

今天的分享就到这里，感谢对水木的支持。

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