标题: [知乎转载] 量子纠缠为什么不能用于瞬时通讯?——老虎会游泳的回答
时间: 2022-08-24发布,2022-09-25修改
https://www.zhihu.com/question/59892411/answer/2643599414
其实很简单,因为量子信道对于双方都是只读的。一对处于纠缠态的光子,我们目前能施加在上面的唯一操作就只有“观测”。也就是说,通信的一方只能不断看、看、看,然后记下观测结果。另一方也只能不断看、看、看,然后记下与对方相反的结果。虽然这两串结果恰好相反(一方观测自旋为正,另一方同时观测必然得到自旋为负),但因为双方都不能干涉观测结果,所以并没有任何信息被编码到其中,双方自然无法直接依靠其进行通信。
但是上述观测行为记录下的结果,恰好是一串只有双方知道的密码(一方只需要反转结果就与另一方完全相同)。双方在商定好密码之后,就可以通过经典信道(比如电磁波)传输加密信息了。这就是量子密钥分发的原理。一对纠缠光子就像两个配对的动态口令生成器,虽然双方都不能对生成的口令进行干涉,但是可以保证同一时间一方的口令一定与另一方相反(取反后就是相同),所以双方可以安全的同步密码。
但因为只能同步密码,并不能编码信息发出去,所以没法直接传递信息。因为信息只能通过可写的经典信道(比如电磁波)传递,所以还是无法超越光速。
如果未来发现了写入量子信道的方法,让一方能操控观测结果,那直接通过量子信道超光速传递信息才有可能。不过,也许这件事本身就做不到。就目前来说,强行干涉观测结果只会导致纠缠态丢失,对方的光子与你的不再同步。
另一版本:
问题的核心是,双方都只能观测,而不能给对方的观测结果施加任何影响(如果试图对自己的观测结果施加影响,只会导致纠缠态丢失,对方的观测结果与你的不再同步)。
也就是说,信道的两头都是只读的,所以自然没有任何信息被传递。但是因为一方的观测结果与另一方恰好相反,只要反转一下就与对方相同了,这样就得到了一组只有双方知道的密码。然后就能用这组密码加密信息并通过经典(可写)信道(比如电磁波)发送了。因为信息还是要通过经典信道发送,所以没有超越光速。
有人可能会问,“我们用量子信道同步了一段密码,这不算传递信息吗?”
不算,因为这段密码既不是你想传递给他的信息,也不是他想传递给你的信息。这段密码只是你们通过共同观测,从纠缠光子对中捕获的信息,是纠缠光子对发信息给你们,而不是你和他互发信息。所以就算得到一串相同的密码,你和他之间也没有发生任何有意义的信息交换。
这就像两个人在不同地点同时收看同一个电视频道,虽然看到的内容完全相同,但那只是电视台传递信息给你们,你们双方之间并没有任何信息传递。如果你们不通过其他方式互相交流,你就不可能知道他的想法,他也不可能知道你的想法。
『回复列表(16|隐藏机器人聊天)』
关于测量的同时性问题
纠缠在一起的两个光子应该被视为一个整体,无论是光子A还是光子B,其物理性质都不能再单独表述。也就是说,发生纠缠后,光子A和B都不再有各自的自旋方向,而是做为一个整体存在,具有唯一一个“自旋方向”。而A和B的结合方式与分离方式是固定的,意味着一但它们分离,自旋就总是一正一反,不会有其他可能。
无论两者相隔多远或者受到什么外界扰动,只要纠缠还没有消失,都不可能单独给光子A或者光子B施加影响,只能对这个整体施加影响。从“唯结果论”出发,看起来就像“作用在光子A上的影响瞬间传递给了光子B”一样。但实际上是A和B“粘在了一起”,你推动A必然影响B——除非你推的力气太大,把它们完全分开了。
而这种影响之所以没办法用于信息传递,是因为A和B虽然在量子上“粘在一起”,但实际却天涯两隔,你没办法单从一边看到全貌,也就没办法知道你施加的影响在A和B分离时到底会让A自旋为正还是反,B自旋为正还是反。
此外,你也很难用轻柔的手段测量A的自旋方向,同时又不把它与B分开。因为在你测量A时,另一边外界环境对B的影响会对你造成干扰,而你不知道另一边的B发生了什么样的“碰撞”。
所以为了测量A的精确自旋方向,你只能选择“大力出奇迹”,把A和B拆开。此时,A和B在量子意义上各自“朝相反方向飞了出去”(坍缩),彼此之间不再具有联系。但是在飞出去的瞬间,它们还没有怎么被外界环境影响,依然保持分离时的自旋方向。
所以如果双方抓紧时间同时观测,就能测到一正一反两个结果。
但是如果对方没有抓住时机进行观测,B“越飞越远”,与环境进行了各种“碰撞”之后,自旋就很可能会完全改变,与分离时完全不同,那么观测结果也就没有意义了。
所以,必须同时进行观测,或者至少时间不能相距太久。
再总结一下无法用量子纠缠超光速传递信息的原因:
纠缠发生后,两个粒子就做为整体存在,不可能在不拆开它们的情况下把其中一个置为某种状态。要想改变单个粒子的状态,必须先把它从纠缠中分离,而一但分离,对方就收不到你的状态改变情况了。
至于“施加轻微影响,让两个粒子构成的整体在分离前处于我想要的状态”,也不太可行,因为无法观测在对方那边的另一半,所以无法准确掌握系统整体的运动情况,也就无法估计自己“施加的轻微影响”到底会让整体发生什么变动。
总的来说,从纠缠中分离时,两个粒子到底会以什么角度“飞出去”,只有分离后立即进行观测才能知道,没办法提前设定。这就是不能用它超光速传递信息的原因。
人类意志在量子纠缠现象中的地位问题
人类意志在量子纠缠现象中没有特殊地位,因为用机器去操作会得到完全相同的结果。
而事实上,量子通信实验必然是完全由机器完成的,因为手动操作根本达不到实验所需的精度要求。人类只是为实验准备了机器设备、编写了执行步骤(程序)而已。
而我们所说的“观测导致坍缩”,只是步骤合并导致的理解错误罢了。实际是——想要观测,必须“大力”分离——分离导致了坍缩,确定了两个粒子各自的自旋方向(由于“组合体”的结构特征,“飞出去”总是一正一反)——分离之后,我们才能完成对其中一个粒子的观测。
这一系列的步骤,都不需要人类意志的参与。即使完全没有人类存在,两个纠缠的粒子还是可以在外界环境的影响下分离,并“一正一反”的“飞出去”,丝毫不受影响。
中继问题
量子加密通信有两种中继模式:可信中继、量子中继。
目前,量子中继(直接中继纠缠光子)还处于研究阶段,实用的方法都是可信中继:双方必须同时与中继建立量子加密会话,通信内容将在中继处解密并用另一方的密码重新加密发给对方。如果可信中继被攻破,通信可以被窃听。
不过墨子号在提供可信中继服务的同时,还给出了第三种选择:卫星分发纠缠源。
用户开始通信时,两束纠缠光子流将由墨子号直接产生,并投递给通信双方。因为只有观测时才能得知粒子的自旋方向,并且只有通信双方会进行观测,墨子号并不参与观测,所以就算墨子号被攻破,最多也只能导致拒绝服务(纠缠源发送服务被关闭或被干扰),不会影响通信安全。就算有人监视着纠缠源的发送情况,也无法解密通信。如果他尝试让墨子号观测其自身发送的光子流,只会导致纠缠失效,通信失败,不会导致泄密。
看到 https://www.bilibili.com/video/BV1264y1S76y 里有弹幕说“量子力学可能是高维度法则在我们这个低维度里的表现”,我对此深以为然。比如,量子纠缠有一个非常简单的解读方法,就是两个纠缠粒子之间其实并不会产生超距作用,它们只是在更高维度被粘在一起了,所以当观测把它们分开时,它们在更高维度朝着相反方向飞出,而在三维世界的我们则观察到相反的自旋方向。
电子的自旋是二分之一,“需要转两圈才能回到原点”,这似乎意味着电子实际上是一个高维物体,我们只是看到了它在三维世界的投影。
两个粒子A和B纠缠在一起,在测量之前,或者准确的说,在纠缠态解除之前,没有粒子A和粒子B,只有一个整体A+B。是测量对A+B施加的“外部扰动”拆开了它们,这才让A和B得以单独出现。如果能以其他方式对A+B施加足够的外部扰动,也能拆开它们,使纠缠态解除。在纠缠态解除的瞬间,即使我们没有进行观测,A和B的自旋也会恰好相反(或相同,取决于当初它们是如何纠缠的),这是由A+B的“构型”所决定的。这就消除了“观测”或者“人类意志”在纠缠态坍缩现象中的必要性——不是观测导致坍缩,而是必须先坍缩才能观测,否则你只能观测到A+B,观测不到A或B。
至于“试图主动设置A的状态来影响B从而实现通信”之所以不可以,用上述理解方式也很容易想清楚,是因为如果想继续保持纠缠,那你就只能接触到A+B,不可能单独接触到A,自然也就没办法设置其状态。而一旦你可以单独设置A的状态,就表示它与B的纠缠已经结束,你再怎么设置A也不会影响B了。
那么我能不能通过控制A+B的状态来实现对分离后A和B单独状态的控制呢?我的答案是可以,但A+B的状态位于你这边的可只有一半,还有另一半在对方那边呢,你得让对方把他观测到的状态也发给你,才能得知A+B的完整状态,才能对其进行“精确”控制。所以这样的控制依然无法实现超光速通信,因为虽然在A+B这边可以超光速,但你得首先等待对方以光速把他观测到的A+B状态同步给你,然后才能对A+B进行控制,以实现一个比特的信息传递。这样你传递给对方一个比特的总时间还是没有超过光速。