雖然有量子隱型傳態(tài)和量子糾纏態(tài)的存在，超光速通訊一直是不可能的
對(duì)于許多人來說，雖然在很遠(yuǎn)的距離上也能保持的量子糾纏的概念使人們希望有三天它可以用于比光速更快的通訊。
愛因斯坦于1905年首次提出，數(shù)學(xué)學(xué)一個(gè)無(wú)可爭(zhēng)議的最基本規(guī)則，即任何類型的信息攜帶訊號(hào)都不能以超過光速的速率穿過宇宙。粒子，無(wú)論是有質(zhì)量的還是無(wú)質(zhì)量的，都須要將信息從一個(gè)位置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)位置，但是這種粒子必須根據(jù)相對(duì)論規(guī)則，以高于（有質(zhì)量的）或以（無(wú)質(zhì)量的）光速傳播。你或許可以借助彎曲的空間讓這些信息載體走捷徑，但它們依然只能以光速或以下的速率穿越空間。
但是，自量子熱學(xué)發(fā)展以來，許多人企圖借助量子糾纏的力量來顛覆這一規(guī)則。在各類嘗試中設(shè)計(jì)了許多聰明的方案來傳輸“欺騙”相對(duì)論的信息，期望實(shí)現(xiàn)比光速更快的通訊。雖然這是繞開宇宙規(guī)則的令人贊嘆的嘗試，但每一個(gè)方案除了都失敗了，但是事實(shí)證明所有這種方案都注定要失敗。雖然有量子糾纏，超光速通訊在我們的宇宙中依然是不可能的。
從概念上講，量子糾纏是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念。您可以從想像精典宇宙和您可以執(zhí)行的最簡(jiǎn)單的“隨機(jī)”實(shí)驗(yàn)之一開始：進(jìn)行拋硬幣。假如你和我每人有一枚公正的硬幣并擲它，我們每位人都希望我們每位人都有50/50的機(jī)會(huì)得到正面，而我們每位人都有50/50的機(jī)會(huì)得到背面。你的結(jié)果和我的結(jié)果除了應(yīng)當(dāng)是隨機(jī)的，但是應(yīng)當(dāng)是獨(dú)立的和不相關(guān)的：不管你的擲骰結(jié)果怎樣，我得到正面或背面的機(jī)率仍舊應(yīng)當(dāng)是50/50。
但若果這其實(shí)不是一個(gè)精典系統(tǒng)，而是一個(gè)量子系統(tǒng)，這么你的硬幣和我的硬幣可能會(huì)糾纏在一起。我們每位人可能依然有50/50的機(jī)會(huì)得到正面或背面，但假如你擲硬幣并檢測(cè)正面，你將立刻就能以低于50/50的確切度統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)我的硬幣是否可能落在無(wú)論是正面還是背面。這是量子糾纏的重要思想：兩個(gè)糾纏量子之間存在相關(guān)性，這意味著假如你實(shí)際檢測(cè)其中一個(gè)的量子態(tài)，另一個(gè)的狀態(tài)不會(huì)立刻確定，而是可以搜集到一些關(guān)于它的機(jī)率信息。
通過從一個(gè)預(yù)先存在的系統(tǒng)中創(chuàng)建兩個(gè)糾纏光子并將它們相距很遠(yuǎn)，我們可以通過檢測(cè)另一個(gè)的狀態(tài)來“傳送”有關(guān)一個(gè)狀態(tài)的信息，就算是從十分不同的位置。要求局部性和現(xiàn)實(shí)性的量子化學(xué)學(xué)解釋未能解釋無(wú)數(shù)的觀察結(jié)果，但多種解釋其實(shí)都差不多。
從概念上講，這是怎樣工作的？
在量子化學(xué)學(xué)中，存在一種稱為量子糾纏的現(xiàn)象，即你創(chuàng)造了多個(gè)量子粒子——每個(gè)量子粒子都有自己獨(dú)立的量子態(tài)——其中關(guān)于兩種狀態(tài)總和的一些重要信息是已知的。就似乎有一根看不見的線聯(lián)接著這兩個(gè)量子（或則，倘若依照量子熱學(xué)定理，兩枚硬幣糾纏在一起，你的硬幣和我的硬幣），當(dāng)我們中的一個(gè)人對(duì)我們擁有的硬幣進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，我們可以立刻了解另一枚硬幣的狀態(tài)，這超出了我們熟悉的“經(jīng)典隨機(jī)性”。
其實(shí)這聽上去像是純粹的理論工作，但它早已在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域進(jìn)行了幾六年。我們創(chuàng)造了成對(duì)的糾纏量子（具體來說是光子），之后它們被彼此帶走，直至它們相隔很遠(yuǎn)，之后我們有兩個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)裝置，可以告訴我們每位粒子的量子態(tài)是哪些.我們盡可能同時(shí)進(jìn)行這種檢測(cè)，之后聚在一起比較我們的結(jié)果。這種實(shí)驗(yàn)意義深遠(yuǎn)，以至于遵守這種思路的研究獲得了2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
不同測(cè)試角度在量子熱學(xué)（紅色）和精典熱學(xué)中（藍(lán)色）的糾錯(cuò)率
單重態(tài)（紅色）下兩個(gè)載流子的量子相關(guān)性的最佳局域現(xiàn)實(shí)主義模仿（藍(lán)色），堅(jiān)持在0度時(shí)完美反相關(guān)，在180度時(shí)完美相關(guān)。受這種附加條件影響的精典相關(guān)性存在許多其他可能性量子計(jì)算和量子通訊，但所有可能性都以0、180、360度處的尖峰（和低潮）為特點(diǎn)，但是沒有一個(gè)在45、135度處具有更極端的值（+/-0.5），225、315度。這種值在圖中用星號(hào)標(biāo)記，而且是在標(biāo)準(zhǔn)Bell-CHSH型實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的值。量子和精典預(yù)測(cè)可以清楚地分辨下來，并在1972年的博士論文中以各類角度被辨識(shí)下來。
我們發(fā)覺，其實(shí)令人吃驚的是，你的硬幣和我的硬幣的結(jié)果（或則，假如你樂意，你的光子的載流子和我的光子的載流子）是互相關(guān)聯(lián)的！我們?nèi)缃裨缫褜蓚€(gè)光子分開數(shù)百公里的距離，之后再進(jìn)行這種關(guān)鍵檢測(cè)，之后在毫秒公測(cè)量彼此的量子態(tài)。倘若其中一個(gè)光子的載流子為+1，則另一個(gè)光子的狀態(tài)可以預(yù)測(cè)到大概75%的確切度，而不是你曉得它是+1或-1時(shí)一般期望的標(biāo)準(zhǔn)50%。
據(jù)悉，關(guān)于另一個(gè)粒子的載流子的信息可以立刻得知，而是不須要等待其他檢測(cè)設(shè)備向我們發(fā)送該訊號(hào)的結(jié)果。從表面上看，我們或許可以曉得糾纏實(shí)驗(yàn)另一端正在發(fā)生的事情的一些信息，除了速率比光速快，但是起碼比光速快數(shù)萬(wàn)倍。這是否意味著信息實(shí)際上以比光速更快的速率傳輸？
假如兩個(gè)粒子糾纏在一起，它們具有互補(bǔ)的波函數(shù)特點(diǎn)，檢測(cè)一個(gè)粒子就可以確定另一個(gè)粒子的特點(diǎn)。但是，假如你創(chuàng)造了兩個(gè)糾纏的粒子或系統(tǒng)，并檢測(cè)一個(gè)在另一個(gè)衰變之前怎樣衰變，你應(yīng)當(dāng)才能測(cè)試時(shí)間反演對(duì)稱性是否守恒或被破壞。
從表面上看，信息雖然確實(shí)以比光速還快的速率傳遞。諸如，您可能會(huì)嘗試捏造一個(gè)遵守以下設(shè)置的實(shí)驗(yàn)：
假如這個(gè)設(shè)置有效，你真的才能曉得在遙遠(yuǎn)目的地的觀察者是否逼迫她們的糾纏對(duì)步入+1或-1狀態(tài)，只需在遠(yuǎn)處打破糾纏后檢測(cè)你自己的粒子對(duì)。
電子通過雙縫的波型，一次一個(gè)。假如你檢測(cè)電子穿過“哪個(gè)狹縫”，你還會(huì)破壞這兒顯示的量子干涉圖樣。不管解釋怎樣，量子實(shí)驗(yàn)其實(shí)關(guān)心我們是否進(jìn)行個(gè)別觀察和檢測(cè)（或強(qiáng)制進(jìn)行個(gè)別交互）。
這其實(shí)是實(shí)現(xiàn)超光速通訊的極佳設(shè)置。您所須要的只是一個(gè)打算充分的糾纏量子粒子系統(tǒng)，一個(gè)在您進(jìn)行檢測(cè)時(shí)就各類訊號(hào)的涵義達(dá)成一致的系統(tǒng)，以及一個(gè)您將進(jìn)行這種關(guān)鍵檢測(cè)的預(yù)定時(shí)間。雖然在光年之外，您也可以通過觀察隨身攜帶的粒子立刻了解目的地的檢測(cè)結(jié)果。
但這是對(duì)的嗎？
這是一個(gè)十分聰明的實(shí)驗(yàn)方案，但實(shí)際上并沒有以任何方式得到回報(bào)。當(dāng)您在粒子對(duì)糾纏和形成的原始來源處進(jìn)行這種關(guān)鍵檢測(cè)時(shí)，您會(huì)發(fā)覺一些特別令人沮喪的事情：您的結(jié)果僅顯示50/50的概率處于+1或-1狀態(tài)。就好象遠(yuǎn)處觀察者的行為，促使她們的糾纏對(duì)中的成員處于+1或-1狀態(tài)，對(duì)你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果根本沒有影響。假如根本沒有任何糾纏，結(jié)果與您的預(yù)期相同。
測(cè)試量子非定域性的第三方面實(shí)驗(yàn)示意圖。來自光源的糾纏光子被發(fā)送到兩個(gè)快速開關(guān)，將它們引導(dǎo)到偏振光檢查器。這種開關(guān)可以十分迅速地修改設(shè)置，因而在光子飛行時(shí)有效地修改實(shí)驗(yàn)的偵測(cè)器設(shè)置。令人吃驚的是，不同的設(shè)置會(huì)造成不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
我們的計(jì)劃在那里失敗了？正是在我們讓目的地的觀察者進(jìn)行觀察并嘗試將該信息編碼到她們的量子態(tài)的步驟中，我們之前曾說過，“你讓目的地的觀察者找尋某種訊號(hào)，之后力它們糾纏的粒子步入+1狀態(tài)（對(duì)于正訊號(hào)）或-1狀態(tài)（對(duì)于負(fù)訊號(hào)）。”
當(dāng)你采取這一步驟時(shí)——迫使一對(duì)糾纏粒子中的一個(gè)成員步入特定的量子態(tài)——該行為除了會(huì)破壞兩個(gè)粒子之間的糾纏量子計(jì)算和量子通訊，并且不會(huì)破壞糾纏并確定該粒子的屬性；它打破了糾纏并將其放在一個(gè)新狀態(tài)，該狀態(tài)不關(guān)心通過公正檢測(cè)“確定”了那個(gè)狀態(tài)（+1或-1）。
也就是說，糾纏對(duì)中的另一個(gè)成員完全不受這些“強(qiáng)迫”作用的影響，它的量子態(tài)仍舊是隨機(jī)的，是+1和-1量子態(tài)的疊加。你通過“強(qiáng)迫”糾纏粒子的一個(gè)成員步入特定狀態(tài)所做的事情完全打破了檢測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性。您“強(qiáng)迫”目標(biāo)粒子步入的狀態(tài)現(xiàn)今與源粒子的量子態(tài)100%無(wú)關(guān)。
量子擦除實(shí)驗(yàn)設(shè)置，其中兩個(gè)糾纏粒子被分離和檢測(cè)。一個(gè)粒子在其目的地的改變不會(huì)影響另一個(gè)粒子的結(jié)果。您可以將量子擦除器等原理與雙縫實(shí)驗(yàn)結(jié)合上去，瞧瞧倘若您保留或破壞，或則查看或不查看您通過檢測(cè)狹縫本身發(fā)生的信息而創(chuàng)建的信息會(huì)發(fā)生哪些。
可以規(guī)避這個(gè)問題的惟一方式是是否存在某種方式來進(jìn)行實(shí)際上強(qiáng)制形成特定結(jié)果的量子檢測(cè)，這是違反在目前已知的化學(xué)定理。
假如你能做到這一點(diǎn)，這么目的地的某個(gè)人就可以進(jìn)行觀察——例如，了解她們正在訪問的行星是否有人居住——然后使用一些未知的過程來：
不幸的是，量子檢測(cè)的結(jié)果不可防止地是隨機(jī)的；您未能將首選結(jié)果編碼為量子檢測(cè)。
雖然借助量子糾纏，在了解糾纏實(shí)驗(yàn)另一端發(fā)生的事情時(shí)，也不可能比隨機(jī)猜想做得更好，無(wú)論它是關(guān)于光子載流子、拋硬幣，還是妄圖曉得哪些做莊手中的牌。
正如量子化學(xué)學(xué)家蓋瑞·奧澤爾(ChadOrzel)所寫，進(jìn)行檢測(cè)（保持對(duì)之間的糾纏）和強(qiáng)制一個(gè)特定結(jié)果（這本身就是狀態(tài)的變化）之后進(jìn)行檢測(cè)（糾纏不存在）之間存在很大差別保持）。假如你想控制而不是簡(jiǎn)單地檢測(cè)量子粒子的狀態(tài)，這么一旦你進(jìn)行狀態(tài)改變操作，你都會(huì)喪失對(duì)組合系統(tǒng)的完整狀態(tài)的了解。
只要糾纏保持完整，量子糾纏只能用于通過檢測(cè)另一個(gè)組件來獲取有關(guān)量子系統(tǒng)一個(gè)組件的信息。你不能做的是在糾纏系統(tǒng)的一端創(chuàng)建信息，之后以某種形式將其發(fā)送到另一端。假如你能以某種形式復(fù)制你的量子態(tài)，超光速通訊終究是可能的，但這也是違反化學(xué)定理的。
假如你能以某種形式獲得一個(gè)量子態(tài)并復(fù)制它，就有可能設(shè)計(jì)出一種比光速還快的通訊方案。但是，早在1970年代和80年代，多個(gè)獨(dú)立團(tuán)體就證明了一個(gè)有效的不可克隆定律，由于嘗試檢測(cè)量子態(tài)（了解它是哪些）的行為從根本上改變了結(jié)果。
通過借助量子糾纏的奇特化學(xué)學(xué)，您可以做好多事情，比如通過創(chuàng)建一個(gè)量子鎖和鎖匙系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于純精典估算來說幾乎牢不可破。但事實(shí)上，你不能復(fù)制或克隆一個(gè)量子態(tài)——因?yàn)閮H僅讀取狀態(tài)的行為會(huì)從根本上改變它——是任何通過量子糾纏實(shí)現(xiàn)超光速通訊的可行方案的關(guān)鍵所在。量子糾纏本身就是一個(gè)豐富的研究領(lǐng)域，其許多方面在2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)中得到認(rèn)可。
量子糾纏在實(shí)踐中的實(shí)際工作方法有好多微妙之處，但關(guān)鍵要點(diǎn)是：沒有任何檢測(cè)程序可以在保持粒子之間糾纏的同時(shí)強(qiáng)制形成特定結(jié)果。任何量子檢測(cè)的結(jié)果都不可防止地是隨機(jī)的，因而否定了這些可能性。事實(shí)證明，沒有任何信息可以比光速更快地發(fā)送，進(jìn)而使我們的宇宙一直保持原有的因果關(guān)系。