在潘建偉等科學(xué)家的領(lǐng)導(dǎo)下，我國(guó)已經(jīng)在量子通信技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。量子糾纏的概念也隨之火熱了起來(lái)。
愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論認(rèn)為：光速不可超越，任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能超過(guò)真空中的光速。截止目前，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何違反相對(duì)論的物理現(xiàn)象。處于糾纏狀態(tài)的兩個(gè)粒子之間的感應(yīng)速度比光速快，但這并沒(méi)有違反相對(duì)論。這是怎么回事，讓我們來(lái)詳細(xì)了解一下。
什么是量子糾纏？
量子糾纏是發(fā)生在光子、電子這一類構(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)粒子上的一種量子效應(yīng)。按尺度劃分，世界有宏觀和微觀之分，量子效應(yīng)就主要發(fā)生于原子及亞原子尺度下的微觀世界。量子糾纏這個(gè)概念是由波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤命名的。
說(shuō)到量子糾纏，必須要先來(lái)說(shuō)一說(shuō)量子。觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)表明，原子及亞原子粒子的運(yùn)動(dòng)是不連續(xù)的，或者說(shuō)這些粒子的運(yùn)動(dòng)變化是離散的。我們用物理量來(lái)描述這些粒子的運(yùn)動(dòng)變化，如果把某一物理量的變化值填在數(shù)軸上，數(shù)軸不能被填滿、存在間隔，數(shù)軸就被這些間隔分成一份一份的，這些間隔對(duì)應(yīng)的就是物理量的變化，而且總是存在最小的間隔，這就是物理量的量子化，最小的間隔或者說(shuō)最小的變化單位便是量子。
描述這種變化的便是量子力學(xué)，它有別于描述宏觀世界中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典力學(xué)，經(jīng)典力學(xué)中物理量的變化是連續(xù)的，或者說(shuō)變化量可以無(wú)窮小，不存在最小的變化單位。量子世界最大的特征便是粒子運(yùn)動(dòng)的不確定性、隨機(jī)性，粒子的波動(dòng)性便源于此。正這是這個(gè)原因，科學(xué)家們只能用統(tǒng)計(jì)和概率的方式來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)。比如粒子的位置和速度，在被觀測(cè)之前都是不確定的，并且位置和速度不能被同時(shí)精確測(cè)量?！把Χㄖ@的貓”最能形象地說(shuō)明這種不確定性。
如下圖所示，關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的電子云模型就很清晰的說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題，電子并不像行星繞著恒星那樣具有確定的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道。
不同的粒子具有不同的量子態(tài)，當(dāng)幾個(gè)粒子相互作用之后，它們的量子態(tài)會(huì)疊加在一起，此時(shí)這幾個(gè)粒子就處于糾纏狀態(tài)。處于糾纏狀態(tài)的粒子間存在某種特殊的聯(lián)系，兩個(gè)粒子分別處在不同的地方，即使相隔1光年，一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)對(duì)應(yīng)地發(fā)生改變。這種聯(lián)系與粒子間的距離無(wú)關(guān)，整個(gè)過(guò)程是瞬間完成的，也稱之為超距作用。
當(dāng)我們對(duì)某個(gè)處于糾纏狀態(tài)的粒子進(jìn)行測(cè)量，處于疊加狀態(tài)的量子態(tài)會(huì)發(fā)生坍縮，從而產(chǎn)生一個(gè)確定的量子態(tài)，不管相距多遠(yuǎn)，另一個(gè)粒子也會(huì)感應(yīng)到這種測(cè)量行為，坍縮至一個(gè)確定狀態(tài)。這種坍縮過(guò)程也是隨機(jī)的。而在測(cè)量之前，我們只知道整個(gè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)，無(wú)法知道單個(gè)粒子的狀態(tài)。
愛(ài)因斯坦雖然是量子力學(xué)的主要奠基人，但是他也曾經(jīng)質(zhì)疑過(guò)量子糾纏中的超巨作用，并與羅森、波多爾斯基于1935年共同提出了EPR思想實(shí)驗(yàn)。1964年，約翰·貝爾提出了貝爾不等式，ERP思想實(shí)驗(yàn)也就變成了佯謬?；堇帐堑谝粋€(gè)提出驗(yàn)證光子糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)的人，此后，科學(xué)家成功地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，生成了相互糾纏的光子對(duì)。
下圖為糾纏光子對(duì)的生成原理
量子糾纏現(xiàn)象與距離、時(shí)間無(wú)關(guān)
量子糾纏是一種鬼魅般的聯(lián)系，與距離的遠(yuǎn)近無(wú)關(guān)。兩個(gè)處于糾纏狀態(tài)的粒子，即使相隔億萬(wàn)光年，彼此之間也會(huì)存在心靈感應(yīng)似的聯(lián)系。不過(guò)，這種心靈感應(yīng)的過(guò)程主要體現(xiàn)在糾纏狀態(tài)解除的那一剎那間，一個(gè)粒子被干擾，另一個(gè)粒子即刻就會(huì)作出相應(yīng)改變，糾纏態(tài)也隨即解除。如果沒(méi)有干擾，糾纏狀態(tài)將一直保持下去。
科學(xué)家做了很多實(shí)驗(yàn)，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)糾纏粒子對(duì)在坍縮時(shí)存在時(shí)間延遲。因此普遍認(rèn)為，該過(guò)程不涉及時(shí)間差，或者說(shuō)耗時(shí)為0。速度等于距離除以時(shí)間，不管距離多遠(yuǎn)，時(shí)間又始終為0，如何確定速度？對(duì)于量子糾纏現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，無(wú)論是100倍光速，還是1萬(wàn)倍光速，都沒(méi)有實(shí)際意義。你也可以認(rèn)為，量子糾纏的速度無(wú)窮大。
至于為什么會(huì)產(chǎn)生這種聯(lián)系，科學(xué)家們也不是太清楚背后深層次的原因?？梢钥隙?，量子糾纏是一種客觀存在的物理現(xiàn)象。
存在超光速現(xiàn)象，并不意味著就會(huì)違反相對(duì)論
愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中認(rèn)為宇宙中最快的速度是真空中的光速，它是一切物體運(yùn)動(dòng)速度的極限，任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都不能超過(guò)光速，任何有質(zhì)量的物體的速度不能達(dá)到光速。光屬于電磁波，又可以視作光子，由于光子沒(méi)有靜止質(zhì)量，光從誕生起就以光速傳播。而有質(zhì)量的物體之所以不能達(dá)到光速，是因?yàn)?，?dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量也會(huì)隨著速度的增加而增加，并且呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這意味著，速度越接近光速，加速物體時(shí)所需要的能量也就越多，質(zhì)量越大的物體加速時(shí)所需要的能量也就更多。
目前已知，宇宙中主要存在三類超光速現(xiàn)象，一類就是本文所說(shuō)的量子糾纏，一類是宇宙空間的膨脹速度超光速，還有一種是介質(zhì)中的超光速現(xiàn)象。
光在真空中的傳播速度是30萬(wàn)千米每秒，而光在介質(zhì)中的傳播速度會(huì)比真空中的傳播速度小。有時(shí)介質(zhì)中其它粒子的速度能夠超過(guò)光在介質(zhì)中的傳播速度，這并沒(méi)有超越真空中的光速，不算真正的超光速。
宇宙誕生于一次大爆炸，星系就仿佛分布在氣球表面，隨著宇宙的膨脹，也就是氣球的膨脹，氣球上任意兩點(diǎn)的距離都在相互遠(yuǎn)離，而相距越遠(yuǎn)的點(diǎn)，相互遠(yuǎn)離的速度也就越快?？臻g的膨脹就如同氣球膨脹一樣，相對(duì)于地球而言，離地球越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離地球的速度也就越快。在離地球140多億光年遠(yuǎn)的地方，空間的膨脹速度已經(jīng)超過(guò)了光速，但是時(shí)空中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度并沒(méi)有超過(guò)光速。
量子糾纏是量子世界不確定性的體現(xiàn)，量子疊加態(tài)的坍縮雖然從時(shí)間和距離上看起來(lái)超越了光速的限制，但是整個(gè)過(guò)程中并不涉及物質(zhì)的超光速運(yùn)動(dòng)。整個(gè)疊加態(tài)的坍縮過(guò)程是隨機(jī)的，量子糾纏并不能傳遞任何信息或能量。我們所說(shuō)的量子通信技術(shù)，嚴(yán)格來(lái)講是利用量子糾纏技術(shù)對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行加密的一種技術(shù)，信息走的還是傳統(tǒng)信道。
物質(zhì)是信息和能量的載體，我們現(xiàn)在用光或者無(wú)線電波來(lái)傳遞信息，它們本質(zhì)上也是物質(zhì)。不管是量子糾纏，還是宇宙空間的超光速膨脹，它們都不涉及物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，因此并不受狹義相對(duì)論的限制。想要利用量子糾纏實(shí)現(xiàn)科幻題材中的瞬間轉(zhuǎn)移，目前來(lái)說(shuō)是不可能的。
