太陽帆探訪遙遠(yuǎn)的行星或恒星系統(tǒng)的概念圖。

雖然量子糾纏這種“幽靈般的超距作用”的確存在，但我們卻無法利用它來實(shí)現(xiàn)星際超光速通信。

幾個(gè)月前，億萬富翁尤里·米爾納(Yuri Milner)和天體物理學(xué)家斯蒂芬·霍金共同宣布了“突破攝星”(Breakthrough Starshot)計(jì)劃，這個(gè)極富雄心的計(jì)劃要把第一艘人造宇宙飛船發(fā)射到銀河系的另一個(gè)恒星系統(tǒng)。雖然用一個(gè)巨大的激光陣列將一個(gè)質(zhì)量很小、僅有微型芯片大小的宇宙飛船以20%光速發(fā)射到另一個(gè)星球是可行的，但是我們還不清楚像這樣一個(gè)動(dòng)力不足的小設(shè)備如何能跨越巨大的星際空間與地球通信。有人提出了這樣的設(shè)想：或許可以用量子糾纏來通信?

那么量子糾纏到底是什么呢?

想象你有兩枚硬幣，每一枚都有不同的正面或背面，你拿著一枚我拿著一枚，我們彼此距離非常遠(yuǎn)。我們?cè)诳罩袙仈S它們，接住，拍在桌子上。當(dāng)我們拿開手查看結(jié)果時(shí)，我們預(yù)期各自看到“正面”的概率是50%，各自得到“背面”的概率也是50%。在普通的非糾纏宇宙中，你的結(jié)果和我的結(jié)果完全相互獨(dú)立：如果你得到了一個(gè)“正面”結(jié)果，我的硬幣顯示為“正面”或“背面”的概率仍然各為50%，但是在某些情況下，這些結(jié)果會(huì)相互糾纏，也就是說，如果我們做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而你得到了“正面”結(jié)果，那么不用我來告訴你，你就會(huì)瞬間100%肯定我的硬幣會(huì)顯示為“背面”，即使我們相隔數(shù)光年而連1秒鐘都還沒有過去。

在量子物理中，我們通常糾纏的不是硬幣而是單個(gè)的粒子，例如電子或光子等。例如，每個(gè)光子自旋+1或-1，如果兩個(gè)光子互相糾纏，你測(cè)量它們中一個(gè)的自旋，就能瞬間知道另外一個(gè)的自旋，即使它跨過了半個(gè)宇宙。在你測(cè)量任一個(gè)粒子的自旋前，它們都以不確定狀態(tài)存在;但是一旦你測(cè)量了其中一個(gè)，兩者就都立刻知曉了。我們已經(jīng)在地球上做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中我們將兩個(gè)糾纏光子分開很多千米，在數(shù)納秒的間隔內(nèi)測(cè)量它們的自旋。我們發(fā)現(xiàn)，如果測(cè)量發(fā)現(xiàn)它們其中一個(gè)自旋是+1，我們知曉另一個(gè)是-1的速度至少比以光速進(jìn)行通信快10000倍。

創(chuàng)造兩個(gè)互相糾纏的光子以后，哪怕將它們分開很遠(yuǎn)，我們也可以通過測(cè)量其中一個(gè)的狀態(tài)來得知關(guān)于另一個(gè)的信息。圖片來源：Melissa Meister

現(xiàn)在回到文章開頭的問題：我們可以利用量子糾纏的該特性實(shí)現(xiàn)與遙遠(yuǎn)恒星系統(tǒng)的通信嗎?回答是肯定的，如果你認(rèn)為從遙遠(yuǎn)的地方進(jìn)行測(cè)量也算是一種“通信”的話。但是，一般我們所說的“通信”，通常是想要知道你的目標(biāo)的情況。例如，你可以讓一個(gè)糾纏粒子保持著不確定狀態(tài)，搭載上前往最近恒星的宇宙飛船上，然后命令飛船在那個(gè)恒星的宜居帶尋找?guī)r石行星的蹤跡。如果找到了，就進(jìn)行一次測(cè)量使所攜帶的粒子處于+1態(tài)，如果沒有找到，就進(jìn)行一次測(cè)量使所攜帶的粒子處于-1態(tài)。

因此，你推測(cè)，當(dāng)飛船進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果留在地球上的粒子呈現(xiàn)為-1態(tài)，你就知道宇宙飛船在宜居帶發(fā)現(xiàn)了一顆巖石行星;留在地球上的粒子會(huì)呈現(xiàn)為+1態(tài)，就告訴你宇宙飛船還沒有發(fā)現(xiàn)行星。如果你知道飛船已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)量，你應(yīng)該可以自己測(cè)量留在地球上的粒子，并立即知道另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即使它遠(yuǎn)在許多光年外。

這是一個(gè)聰明的計(jì)劃，但是有一個(gè)問題：只有你詢問一個(gè)粒子“你處于什么狀態(tài)?”(也就是說測(cè)量)時(shí)糾纏才起作用，但如果你對(duì)一個(gè)糾纏態(tài)粒子實(shí)施測(cè)量，迫使它成為一個(gè)特定的狀態(tài)，你就破壞了糾纏，你在地球上做的測(cè)量與在遙遠(yuǎn)恒星旁做的測(cè)量就完全不相關(guān)了。如果在遠(yuǎn)處進(jìn)行一次測(cè)量，讓粒子的狀態(tài)為+1，當(dāng)然在地球上測(cè)量出結(jié)果就是-1，從而告訴你遠(yuǎn)在數(shù)光年外的粒子的信息。但你不可能在測(cè)量的過程中不破壞糾纏，而一旦糾纏被破壞，那就意味著，不管結(jié)果如何，你在地球上的粒子為+1或-1的概率都是50%，和若干光年外的粒子再?zèng)]有關(guān)系。

這是量子物理最令人困惑的一點(diǎn)：當(dāng)你知道系統(tǒng)完整狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以通過糾纏獲取系統(tǒng)某一個(gè)部分的信息，但是不能從糾纏系統(tǒng)的某個(gè)部分創(chuàng)建并發(fā)送信息到另一部分。盡管這個(gè)想法很聰明，但超光速通信依然是不可能實(shí)現(xiàn)的。

量子糾纏是一種美妙的性質(zhì)，我們可以將其用于許多方面，例如終極密鑰安全系統(tǒng)，但是超光速通信是不可能實(shí)現(xiàn)的。要理解為什么，就需要理解量子物理的關(guān)鍵特性：只要你迫使糾纏系統(tǒng)的一部分坍縮為一個(gè)特定狀態(tài)，你就無法通過測(cè)量系統(tǒng)的其它部分得到信息。正如量子力學(xué)先驅(qū)尼爾斯·玻爾曾經(jīng)說過的那句名言：

如果量子力學(xué)沒有震撼到你，一定是因?yàn)槟氵€沒有理解它。

宇宙一直在和我們擲骰子，這使愛因斯坦十分懊惱，而且即使我們盡最大努力在游戲中作弊，最終也會(huì)被自然本身挫敗。量子物理定律就是保持著這么完美的一致性——如果體育比賽裁判們的判罰標(biāo)準(zhǔn)也這么一致就好了。