近年来兴起的量子纠缠 或许打破爱因斯坦的光速不变原理 超越时空

近年来兴起的量子纠缠 或许打破爱因斯坦的光速不变原理 超越时空

一年前，亿万富翁Yuri Milner和天体物理学家Stephen Hawking共同宣布了Breakthrough Starshot计划，这个极富雄心的计划要把第一艘人造宇宙飞船发射到银河系的另一个恒星系统。虽然用一个巨大的激光阵列将一个质量很小、仅有微型芯片大小的宇宙飞船以20%光速发射到另一个星球是可行的，但是我们还不清楚像这样一个动力不足的小设备如何能跨越巨大的星际空间与地球通信。有人提出了这样的设想：或许可以用量子纠缠来通信？

这当然值得考虑。让我们看看这个想法。想象你有两枚硬币，每一枚都可翻转为正面或背面。你拿着一枚我拿着一枚，我们彼此距离非常远。我们在空中抛掷它们，接住，拍在桌子上。当我们拿开手查看结果时，我们预期各自看到“正面”的机会是50/50，我们各自得到“背面”的机会也是50/50。在普通的非纠缠宇宙中，你的结果和我的结果完全相互独立：如果你得到了一个“正面”结果，我的硬币显示为“正面”或“背面”仍然是50/50.但是在一些情况下，这些结果会相互纠缠，也就是说，如果我们做这个实验，而你得到了“正面”结果，你会100%肯定我的硬币会显示为“背面”，在我告诉你之前。你会瞬间就知道，即使我们相隔数光年而且连1秒钟都还没有过去。

在量子物理中，我们通常纠缠的不是硬币而是独立的粒子，例如电子或光子，其中，例如，每个光子自旋+1或-1。如果你测量它们中一个的自旋，你瞬间就知道另外一个的自旋，即使它跨过了半个宇宙。在你测量任一个粒子的自旋前，它们都以不确定状态存在；但是一旦你测量了其中一个，两者就都立刻知晓了。我们已经在地球上做了一个实验，实验中我们将两个纠缠光子分开很多千米，在数纳秒的间隔内测量它们的自旋。我们发现，如果测量发现它们其中一个自旋是+1，我们知晓另一个是-1的速度至少比以光速进行通信快10000倍。我们可以利用该特性——量子纠缠实现从遥远恒星系统到我们的通信吗？回答是肯定的，如果你认为从遥远的地方进行测量也算是一种“通信”的话。但是，当你提到通信时，通常是想要知道你的目标的情况。例如，你可以让一个纠缠粒子保持着不确定状态，搭载到前往最近恒星的宇宙飞船上，然后命令飞船在那个恒星的宜居带寻找岩石行星的踪迹。如果找到了，就进行一次测量使所携带的粒子处于+1态，如果没有找到，就进行一次测量使所携带的粒子处于-1态。

因此，你推测，当飞船进行测量时，留在地球上的粒子会呈现为-1态，从而告知知你宇宙飞船在宜居带发现了一颗岩石行星，或者是-1态，告诉你宇宙飞船还没有发现行星。如果你知道飞船已经进行了测量，你应该可以自己测量留在地球上的粒子，并立即知道另一个粒子的状态，即使它远在许多光年外。

这是一个聪明的计划，但是有一个问题：只有你询问一个粒子“你处于什么状态？”纠缠才起作用。如果你迫使一个纠缠态粒子成为一种特殊的状态，你就破坏了纠缠，你在地球上做的测量与在遥远恒星旁做的测量就完全独立了。如果只是测量出远处的粒子的状态是+1或-1，那么你在地球上的测量结果就肯定是-1或+1（分别），从而告诉你远在数光年外的粒子的信息。但是迫使远处的粒子为为+1或-1，那就意味着，不管结果如何，你在地球上的粒子有50/50的机会是+1或-1，和若干光年外的粒子再没有关系。

荷兰代尔夫特大学科维理纳米科学研究所物理学家罗纳德·汉森

爱因斯坦错了么？

证实存在超越时空和超光速现象

汉森教授说：“当看到两个电子发生纠缠时，真是很有趣。”

汉森教授的研究组在实验中观察电子的“旋转”磁特性(spinning)，此特性有“上旋”(up)或“下旋”(down)的两种表现。

汉森教授描述道：“两个电子都是同时上下，观察其中一个总是下旋，另外一个上旋。两者完美地相互关联，当观察一个具有的磁特性时，另一个永远是相反的特性。即使另一个电子在银河系另一端的火箭上，它们之间的这种影响也是瞬时的。”

不过就像童话故事《金发姑娘和三只熊》中所描述的，凡事都应有度，而不能超越极限，按照这一原则行事产生的效应，人们称之为“金发女孩效应”。一项新研究预测，量子纠缠（物质与光之间相互作用的状态）也存在这种效应，并提出宇宙在“既不太快也不太慢”的情况下起源。

据物理学家组织网报道，通过研究物质和光同时存在的系统（包括宇宙在内），研究人员发现，以适中的速度经历量子相变会产生最丰富、最复杂的结构。这些结构类似于平滑、空洞的空间中的“缺陷”。研究结果发表在美国物理学会主要会刊《物理评论A》上。

在日常世界中，一种物质可以在不同的温度条件下经历相变，例如水可以在足够热或足够冷的条件下变成水蒸气或冰。但是在量子世界中，一个系统可以在绝对零度的情况下经历相变，只要改变光和物质之间互相作用的量就可以。这种相变会产生量子纠缠。

科学界普遍认为，宇宙中星团、行星系统、星系等结构的诞生源于量子相变，而且经历相变的速度越快，产生的结构就越多。最新研究否定了这种说法。

“我们的研究认为宇宙是在适中的速度中被‘烹饪’出来的。”研究者之一、美国迈阿密大学物理学教授尼尔·约翰逊说。他把经历量子相变时光和物质高度纠缠的结构比作加热牛奶和燕麦时从无到有形成的粥块。如果以恰好的速度经历相变，这种结构会更为复杂，这类似于以恰好的速度烹饪时，粥块会更好吃。

该研究涉及多种规模不同的光与物质同时存在的系统，而且它所预测的量子纠缠的“金发女孩效应”可以在理想的条件下通过实验设备实现。研究人员正试图确定能够产生加强的量子纠缠效应的精确条件，以供其他研究人员在实验环境中实现他们所预测的情况。

最新研究为如何产生、控制和操纵量子纠缠带来了启发，也为开启超快量子计算、超安全量子密码、高精度量子计量学以及量子态隐形传输等下一代未来技术提供了钥匙。

量子纠缠，或许真是未来的时空传送门。