量子通信是用量子纠缠超光速传递信息吗?

B站影视 港台电影 2025-09-10 06:30 2

摘要:答案是:尽管量子纠缠实现了“瞬时”的关联,但我们无法利用它来传递任何有意义的信息,因此也无法实现超光速通信。 这背后的原因既是量子力学的基本原理所决定的,也是我们如何提取信息这一操作所限制的。

这是一个极其出色且深刻的问题,它触及了量子力学最反直觉的核心。

答案是:尽管量子纠缠实现了“瞬时”的关联,但我们无法利用它来传递任何有意义的信息,因此也无法实现超光速通信。 这背后的原因既是量子力学的基本原理所决定的,也是我们如何提取信息这一操作所限制的。

我们可以通过一个经典的比喻(“量子郁金香”)和严格的物理原理来理解这一点。

一、核心比喻:纠缠的“魔法郁金香”

想象一下,你和我各有一个密封的盒子,里面各有一朵郁金香。我们事先知道一个神奇的规则:

1.无论我们相隔多远,当我们同时打开盒子时,我的花是红色的,你的就必然是蓝色的。

2.反之亦然,我的花是蓝色的,你的就必然是红色的。

3.但在打开之前,我们完全不知道各自会看到什么颜色。

这就是“纠缠”:两个物体的状态是紧密关联的,且这种关联是瞬时的。

现在,尝试用它来传递信息: 假设我们在两个不同的星球上。我希望用这个系统向你发送一个二进制信息,比如“0”或“1”。

我的尝试:我决定,如果我想发送“0”,我就打开盒子看我的花。如果我想发送“1”,我就不打开。

· 你的体验:在你的星球上,你急切地等待我的信息。你打开了你的盒子。

· 你看到了一朵红色的花。

· 请问,我发送的是“0”还是“1”?

你完全不知道!

· 你看到红花,可能意味着:

1. 我选择了发送“0”(打开了盒子),而我的花碰巧是蓝色的(因此你的注定是红色的)。

2. 我选择了发送“1”(没有打开盒子),你的花本来就是红色的,但这只是一个随机的结果。

· 你看到的只是一个随机的结果(红或蓝)。你无法区分这个结果是因为我“操作”了(打开盒子),还是系统本身的随机性。

结论: 你从我这里没有接收到任何信息。你只知道我们之间的关联规则,但你得到的只是一个随机数,无法从中解码出我的意图。信息的传递失败了。

二、物理学的严格解释

上面的比喻对应了以下几个关键的物理学原理:

1.测量结果的随机性 (Randomness of Measurement)

当你测量一个处于纠缠态的粒子时(比如测量它的自旋方向),其结果本质上是完全随机的。就像抛硬币一样,结果是50%概率向上,50%概率向下。这个随机性不是因为我们技术不够好,而是量子力学的基本定律。

2.波函数坍缩 (Wave Function Collapse)

虽然纠缠对的坍缩是“瞬时”的,但坍缩后的状态是随机的。当我测量我的粒子并使其坍缩时,你的粒子会瞬间坍缩到一个对应的状态,但对你来说,你测量得到的那个特定状态仍然是随机的。

3.信息传递的必要条件:可区分的信号

要传递信息,发送方(Alice)必须能制造出接收方(Bob)可以明确区分的不同状态。

在经典通信中,Alice可以发送一个高电压(代表1)或低电压(代表0),Bob能明确区分它们。

在量子纠缠中,Alice无论做什么操作(测量或不测量,用哪种方式测量),Bob单独看自己的测量结果时,都只能看到一片随机噪声。他无法从他的随机结果中推断出Alice在另一端做了什么。没有可区分的信号,信息就无法编码。

4.需要经典信道辅助

这正是为什么所有实际的量子通信协议(如量子密钥分发)都必须依赖一个经典的、低于光速的通信信道。 在上面的郁金香例子中,只有当我通过电话告诉你“我打开了盒子并且看到了蓝色”,你才能恍然大悟:“啊,所以我看到红色是必然的!”。我们通过对比经典信息,才后知后觉地发现了这种关联的“神奇”,并可以利用它来生成密钥(例如,约定“红蓝”为0,“蓝红”为1)。 没有这个经典的后续对话,纠缠本身不承载任何信息。

三、总结

量子纠缠能做到的 (What it DOES) 量子纠缠不能做到的 (What it does NOT do)

产生瞬时的、超距的关联 允许控制远端粒子的状态

产生真正的随机数 传递任何信息或能量

提供一种检测窃听的方法(因为任何测量都会破坏纠缠) 实现超光速通信

所以,最终答案就是: 因为量子纠缠产生的关联结果对接收方来说永远是随机的、不可区分的。发送方无法通过任何操作将自己的意图(信息)编码到这个随机结果中,因此接收方无法从中解码出任何信息。没有信息的传递,自然就谈不上“超高速传递信息”。宇宙通过量子力学的基本法则,巧妙地维护了因果律,防止了超光速通信带来的悖论。

来源:信行于波

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