量子通信

量子通信

量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科,是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。量子通信主要涉及:量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等,近來這門學科已逐步從理論走向實驗,並向實用化發展。高效安全的信息傳輸日益受到人們的關註。基于量子力學的基本原理,並因此成為國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

  • 中文名稱
    量子通信
  • 外文名稱
    Quantum Teleportation
  • 特點
    高效率和絕對安全
  • 類型
    新型的通訊方式
  • 發現者
    法國物理學家艾倫·愛斯派克特
  • 發現時間
    1982年
  • 基本部件
    量子態發生器、量子通道

簡介

所謂量子通信是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式,是近二十年發展起來的新型交叉學科,是量子論和資訊理論相結合的新的研究領域。

光量子通信主要基于量子糾纏態的理論,使用量子隱形傳態(傳輸)的方式實現信息傳遞。根據實驗驗證,具有糾纏態的兩個粒子無論相距多遠,隻要一個發生變化,另外一個也會瞬間發生變化,利用這個特徵實現光量子通信的過程如下:事先構建一對具有糾纏態的粒子,將兩個粒子分別放在通信雙方,將具有未知量子態的粒子與傳送方的粒子進行聯合測量(一種操作),則接收方的粒子瞬間發生坍塌(變化),坍塌(變化)為某種狀態,這個狀態與傳送方的粒子坍塌(變化)後的狀態是對稱的,然後將聯合測量的信息通過經典信道傳送給接收方,接收方根據接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換(相當于逆轉變換),即可得到與傳送方完全相同的未知量子態。

量子糾纏態理論量子糾纏態理論

經典通信較光量子通信相比,其安全性和高效性都無法與之相提並論。安全性-量子通信絕不會"泄密",其一體現在量子加密的密鑰是隨機的,即使被竊取者截獲,也無法得到正確的密鑰,因此無法破解信息;其二,分別在通信雙方手中具有糾纏態的2個粒子,其中一個粒子的量子態發生變化,另外一方的量子態就會隨之立刻變化,並且根據量子理論,巨觀的任何觀察和幹擾,都會立刻改變數子態,引起其坍塌,因此竊取者由于幹擾而得到的信息已經破壞,並非原有信息。高效,被傳輸的未知量子態在被測量之前會處于糾纏態,即同時代表多個狀態,例如一個量子態可以同時表示0和1兩個數位, 7個這樣的量子態就可以同時表示128個狀態或128個數位:0~127。光量子通信的這樣一次傳輸,就相當于經典通信方式的128次。可以想象如果傳輸頻寬是64位或者更高,那麽效率之差將是驚人的2的N次方,以及更高。

這裏進一步解釋一下量子糾纏。量子糾纏可以用"薛定諤貓"來幫助理解:當把一隻貓放到一個放有毒物的盒子中,然後將盒子蓋上,過了一會問這個貓現在是死了,還是活著呢?量子物理學的答案是:它既是死的也是活的。有人會說,開啟盒子看一下不就知道了,是的,開啟盒子貓是死是活確實就會知道,但是按量子物理的解釋:這種死或者活著的狀態是人為觀察的結果,也就是人的巨觀幹擾使得貓變成了死的或者活的了,並不是盒子蓋著時的真實狀態,同樣,微觀粒子在不被"幹擾"之前就一直處于"死"和"活"兩種狀態的疊加,也可以說是它既是"0"也是"1"。

薛定諤貓薛定諤貓

量子通信具有高效率和絕對安全等特點,是此刻國際量子物理和信息科學的研究熱點。追溯量子通信的起源,還得從愛因斯坦的"幽靈"--量子糾纏的實證說起。

由于人們對糾纏態粒子之間的相互影響一直有所懷疑,幾十年來,物理學家一直嘗試驗證這種神奇特徵是否真實。

1982年,法國物理學家艾倫·愛斯派克特(Alain Aspect)和他的小組成功地完成了一項實驗,證實了微觀粒子"量子糾纏"(quantum entanglement)的現象確實存在,這一結論對西方科學的主流世界觀產生了重大的沖擊。 從笛卡兒、伽利略、牛頓以來,西方科學界主流思想認為,宇宙的組成部份相互獨立,它們之間的相互作用受到時空的限製(即是局域化的)。 量子糾纏證實了愛因斯坦的幽靈--超距作用(spooky action in a distance)的存在,它證實了任何兩種物質之間,不管距離多遠,都有可能相互影響,不受四維時空的約束,是非局域的(nonlocal),宇宙在冥冥之中存在深層次的內在聯系。

在量子糾纏理論的基礎上,1993年,美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信(Quantum Teleportation)的概念。量子通信是由量子態攜帶信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現保密通信過程。量子通信概念的提出,使愛因斯坦的"幽靈(Spooky)" --量子糾纏效益開始真正發揮其真正的威力。

1993年,在貝內特提出量子通信概念以後,6位來自不同國家的科學家,基于量子糾纏理論,提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案,即將某個粒子的未知量子態傳送到另一個地方,把另一個粒子製備到該量子態上,而原來的粒子仍留在原處,這就是量子通信最初的基本方案。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有重要意義,而且可以用量子態作為信息載體,通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸,實現原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作,首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的隻是表達量子信息的"狀態",作為信息載體的光子本身並不被傳輸。

經過二十多年的發展,量子通信這門學科已逐步從理論走向實驗,並向實用化發展,主要涉及的領域包括:量子密碼通信、量子遠程傳態和量子密集編碼等。

詳細內容

量子通信系統,按其所傳輸的信息是經典還是量子而分為兩類。前者主要用于量子密鑰的傳輸,後者則可用于量子隱形傳態和量子糾纏的分發。所謂隱形傳送指的是脫離實物的一種"完全"的信息傳送。從物理學角度,可以這樣來想象隱形傳送的過程:先提取原物的所有信息,然後將這些信息傳送到接收地點,接收者依據這些信息,選取與構成原物完全相同的基本單元,製造出原物完美的復製品。但是,量子力學的不確定性原理不允許精確地提取原物的全部信息,這個復製品不可能是完美的。因此長期以來,隱形傳送不過是一種幻想而已。

1993年,6位來自不同國家的科學家,提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳態的方案:將某個粒子的未省量子態傳送到另一個地方,把另一個粒子製備到該量子態上,而原來的粒子仍留在原地。其基本思想是:將原物的信息分成經典信息與量子信息兩部分,它們分別經由經典通道與量子通道傳送給接收者。經典信息是傳送者對原物質進行某一種測量而獲得的,量子信息是傳送者在測量裏未提取的其餘信息;接收者在獲得這兩種信息之後,就可以製備出原物量子態完全復製品。這個過程中傳送的僅僅是原物質的量子態,而不是原物本身。傳送者甚至可以對這一個量子態一無所知,而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。

在這個方案中,糾纏態的非定域性起著至關重要的作用。量子力學是非定域的理論,這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實,因此,量子力學展現出許多反直觀的效應。在量子力學中能夠以這樣的方式製備兩個粒子態,在它們之間的關聯不能被經典地解釋,這樣的態稱為糾纏態,量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間的非定域非經典的關聯。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識與揭示自然界的神秘規律具有極其重要意義,而且能用量子態作為信息載體,通過量子態的傳送實現大容量信息的傳輸,實現原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年,在奧地利留學的中國青年學者潘建偉和荷蘭學者波密斯特等人合作,首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際上第一次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗中傳輸的隻是表達量子信息的"狀態",作為信息載體的光子本身並沒有被傳輸。邇來,潘建偉及其合作者在如何提純高品質的量子糾纏態的研究中又取得了新突破。為了進行遠距離的量子態隱形傳輸,往往需要事先讓相距遙遠的兩地共同擁有最大量子糾纏態。但是,由于存在各種不可避免的環境噪聲,量子糾纏態的品質會隨著傳送距離的增加而變得越來越差。因此,如何提純高品質的量子糾纏態是此刻量子通信研究中的重要課題。

國際上許多研究小組都在對這一課題進行研究,並提出了一系列量子糾纏態純化的理論方案,但是沒有一個是能用現有技術實現的。後來潘建偉等人發現了利用現有技術在實驗上是可行的量子糾纏態純化的理論方案,此刻原則上解決了時下在遠距離量子通信中的根本問題。這項研究成果受到國際科學界的高度評價,被稱為"遠距離量子通信研究的一個飛躍"。

套用與用途

量子通信具有傳統通信方式所不具備的絕對安全特徵,不但在國家安全、金融等信息安全領域有著重大的套用價值和前景,而且逐漸走進人們的日常生活。

為了讓量子通信從理論走到現實,從上世紀90年代開始,國內外科學家做了大量的研究工作。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來,美國國家科學基金會和國防高級研究計畫局都對此項目進行了深入的研究,歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究,研究項目多達12個,日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。我國從上世紀80年代開始從事量子光學領域的研究,近幾年來,中國科學技術大學的量子研究小組在量子通信方面取得了突出的成績。

2003年,韓國、中國、加拿大等國學者提出了誘騙態量子密碼理論方案,徹底解決了真實系統和現有技術條件下量子通信的安全速率隨距離增加而嚴重下降的問題。

2006年夏,我國中國科學技術大學教授潘建偉小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學-維也納大學聯合研究小組各自獨立實現了誘騙態方案,同時實現了超過100公裏的誘騙態量子密鑰分發實驗,由此開啟了量子通信走向套用的大門。

2008年底,潘建偉的科研團隊成功研製了基于誘騙態的光纖量子通信原型系統,在合肥成功組建了世界上首個3節點鏈狀光量子電話網,成為國際上報道的絕對安全的實用化量子通信網路實驗研究的兩個團隊之一(另一小組為歐洲聯合實驗團隊)。

2009年9月,潘建偉的科研團隊正是在3節點鏈狀光量子電話網的基礎上,建成了世界上首個全通型量子通信網路,首次實現了即時語音量子保密通信。這一成果在同類產品中位居國際先進水準,標志著中國在城域量子網路關鍵技術方面已經達到了產業化要求。

全通型量子通信網路是一個5節點的星型量子通信網路,克服了量子信號在商用光纖上載輸的不穩定性是量子保密通信技術實用化的主要技術障礙,首次實現了兩兩使用者間同時進行通信,互不影響。該網路使用者間的距離可達20公裏,可以覆蓋一個中型城市;容納了互聯互通和可信中繼兩種重要的量子通信組網方式,並實現了上級使用者對下級使用者的通信授權管理。

該成果首次全面展示和檢驗了量子通信系統組網和擴展的能力,標志著大規模可擴展網路量子通信技術的成熟,將量子通信實用化和產業化進程又向前推進了一大步。據稱,潘建偉團隊將與中國電子科技集團公司第38研究所等機構合作,在合肥市及周邊地區啓動建設一個40節點量子通信網路示範工程,為量子通信的大規模套用積累工程經驗。

研究突破

據《新科學家》雜志等媒體綜合報道,一支義大利和奧地利科學家小組宣布,他們首次識別出從地球上空1500公裏處的人造衛星上反彈回地球的單批光子,實現了太空絕密傳輸量子信息的重大突破。這一突破標明在太空和地球之間可以構建安全的量子通道來傳輸信息,用于全球通信。此研究成果即將發表在《新物理學雜志》(New Journal of Physics)上。

義大利帕多瓦大學的保羅·維羅來斯和愷莎爾·巴伯利領導此研究小組,成功地利用義大利名為馬泰拉(Matera)雷射測距天文台的1.5米望遠鏡向地球上空1500公裏處的日本阿吉沙(Ajisai)人造衛星發射出光子並讓此衛星將這些光子反彈回到了原始出發地。這標志著無法偷聽的量子編碼通信可望通過人造衛星來實現。此訊息將會大受全球通信公司和銀行的歡迎。

量子通信量子通信

2007年6月,一個由奧地利、英國、德國研究人員組成的小組在量子通信研究中通過創下了通信距離達144公裏的最遠紀錄。而要達到更遠的距離很難,因為大氣容易幹擾光子脆弱的量子狀態。而巴伯利小組想出了解決辦法,通過人造衛星來傳送光子。由于大氣隨高度的增加而日趨稀薄,在衛星上旅行數千公裏隻相當于在地面上旅行8公裏。

為證實地面能觀測到從軌道衛星上傳送回來的光子,此研究小組從義大利馬泰拉(Matera)雷射測距天文台的望遠鏡向阿吉沙(Ajisai)人造衛星發射出一束普通的雷射。阿吉沙(Ajisai)人造衛星由318面鏡片組成,從精確的鏡片上反彈回來的單批光子成功地回到了此天文台。

參與此項研究的奧地利維也納的量子光學和量子信息研究所著名量子物理學家安頓·宰林格(Anton Zeilinger)認為太空至地球的量子通信是一項可行技術。宰林格正在打造一個人造衛星,用于產生糾纏光子,接收信息並對信息編碼,之後再將編碼的信息反射回來,以建立全球量子通信網路。

量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理。量子信息學告訴人們,在微觀世界裏,不論兩個粒子間距離多遠,一個粒子的變化都會影響另一個粒子的現象叫量子糾纏,這一現象被愛因斯坦稱為"詭異的互動性"。科學家認為,這是一種"神奇的力量",可成為具有超級計算能力的量子電腦和量子保密系統的基礎。

量子通信是經典資訊理論和量子力學相結合的一門新興交叉學科,與此刻成熟的通信技術相比,量子通信具有巨大的優越性,具有保密性強、大容量、遠距離傳輸等特點。量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用,而且會極大地促進國民經濟的發展。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來,美國國家科學基金會、國防高級研究計畫局都對此項目進行了深入的研究,歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究,研究項目多達12個。日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰略項目。

中國研究

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室的潘建偉教授及其同事,利用冷原子量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換,建立了由300米光纖連線的兩個冷原子系綜之間的量子糾纏。這種冷原子系綜之間的量子糾纏可以被讀出並轉化為光子糾纏以進行進一步的傳輸和量子操作。該實驗成果完美地實現了長程量子通信中亟需的"量子中繼器",向未來廣域量子通信網路的最終實現邁出了堅實的一步。

量子通信量子通信

2010年,中國科學技術大學和清華大學的研究人員完成了一項創舉,他們的自由空間量子通信實驗將通信距離從先前的數百米記錄一步跨越到16公裏。此刻,中國科學技術大學上海研究院的研究人員再次創造了新紀錄,他們將通信距離擴大到了97公裏,橫跨中國的一個湖泊。報告發表在預印本網站上。研究人員在海拔約4000米的青海剛察湖上完成了這次自由空間信道量子實驗,他們不是在湖這邊發射光子,然後讓它在湖對岸重新出現,而是利用量子糾纏--即兩個量子態互相影響的粒子--在新地點重新創造出相同的量子比特。他們在四個多小時內向97公裏外遠距傳輸了1100多個光子。將量子通信距離延長到100公裏意味著可以從地面與衛星進行通信,全球範圍的量子通信正在變成現實。

量子信息因其傳輸高效和絕對安全等特點,被認為可能是下一代IT技術的支撐性研究,並成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。基于我國2001年以來在量子糾纏態、糾錯、存儲等核心領域的系列前沿性突破,中科院于2011年啓動了空間科學戰略性先導科技專項,力爭在2015年左右發射全球首顆"量子通訊衛星"。

中國量子領域的首席科學家潘建偉中國量子領域的首席科學家潘建偉

中國科學技術大學教授潘建偉、彭承志、陳宇翱等人,與中科院上海技術物理研究所王建宇、光電技術研究所黃永梅等組成聯合團隊,于2011年10月在青海湖首次成功實現了百公裏量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發。實驗證明,無論是從地面指向衛星的上行量子隱形傳態,還是衛星指向兩個地面站的下行雙通道量子糾纏分發均可行,為基于衛星的廣域量子通信和大尺度量子力學原理檢驗奠定了技術基礎。

在高損耗的地面成功傳輸100公裏,意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公裏以上,基本上解決了量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。已量子通訊衛星核心技術的突破,也表明未來構建全球量子通信網路具備技術可行性。

2013年10月,中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展:該實驗室史保森教授領導的研究小組在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放。這項研究成果線上發表在《自然·通訊》上。

存儲問題

類比于傳統的電子通信中為了補償電信號衰減而進行整形和放大的電子中繼器,奧地利科學家在理論上提出,可以通過量子存儲技術和量子糾纏交換和純化技術的結合來實現量子中繼器,從而最終實現大規模的長程量子通信。量子存儲的實驗實現卻一直存在著很大的困難。為了解決量子存儲問題,國際上人們做了大量的研究工作。比如段路明及其奧地利、美國的合作者就曾于2001年提出了基于原子系綜的另一類量子中繼器方案。由于這一方案具有易于實驗實現的優點,受到了學術界的廣泛重視。然而,隨後的研究表明,由于這一類量子中繼器方案存在著諸如糾纏態對信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨信道長度成長過快等嚴重問題,無法被用于實際的長程量子通信中。

為了解決上述困難,潘建偉、陳增兵和趙博等在理論上提出了具有存儲功能、並且對信道長度抖動不敏感、誤碼率低的高效率量子中繼器方案。同時,潘建偉研究小組與德國、奧地利的科學家經過多年的合作研究,在逐步實現了光子-原子糾纏、光子比特到原子比特的量子隱形傳態等重要階段性成果的基礎上,最終實驗實現了完整的量子中繼器基本單元。

重要進展:

中科大網站2013年10月報道,中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在高維量子信息存儲方面取得重要進展,該實驗室史保森教授領導的研究小組在2013年首次成功地實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖的存儲與釋放,證明了高維量子態的存儲是完全可行的。該小組通過兩個磁光阱製備了兩個冷原子團,利用其中一個冷原子團通過非線性過程製備標記單光子,並通過螺旋相位片使該光子攜帶一定的軌道角動量,具有特殊的空間結構。而後利用電磁誘導透明效應將其存儲于另一個作為存儲介質的冷原子團中,實驗結果清楚地證明了單光子攜帶的軌道角動量可以高保真地被存儲。同時該小組借助于精心設計的Sagnac幹涉儀,通過量子層析技術和幹涉技術成功地證明了單光子軌道角動量的疊加性也可以在存儲過程中很好地保持,而態的疊加特徵是量子信息之所以不同于經典信息的根本之處。 從而在國際上首次實現了攜帶軌道角動量、具有空間結構的單光子脈沖在冷原子系綜中的存儲與釋放,證明了建立高維量子存儲單元的可行性,邁出了基于高維量子中繼器實現遠距離大信息量量子信息傳輸的關鍵一步。

通信網

作為新一代通信技術,量子通信基于量子信息傳輸的高效和絕對安全性,成為近幾年來國際科研競爭中的焦點領域之一。合肥城域量子通信試驗示範網于2010年7月啓動建設,投入經費6000多萬元。經過中國科學技術大學和安徽量子通信技術有限公司科研人員歷時1年多的努力,項目建成後試運行,各項功能、指標均達到設計要求。該項目2012年3月29日通過安徽省科技廳組織的專家組驗收,30日正式投入使用。

具有46個節點的量子通信網覆蓋合肥市主城區,使用光纖約1700公裏,通過6個接入交換和集控站,連線40組"量子電話"使用者和16組"量子影片"使用者。此刻主要使用者為對信息安全要求較高的政府機關、金融機構、醫療機構、軍工企業及科研院所,如合肥市公安局、合肥市應急指揮中心、中國科學技術大學、合肥第三人民醫院及部分銀行網點等。

合肥量子通信網的建成使用,標志著我國繼量子信息基礎研究躋身全球一流水準後,在量子信息先期產業化競爭中也邁出了重要一步。此刻,我國北京、濟南、烏魯木齊等城市的城域量子通信網也在建設之中,未來這些城市將通過量子衛星等方式聯接,形成我國的廣域量子通信體系。

發展史

1993年,C.H.Bennett提出了量子通信的概念;同年,6位來自不同國家的科學家,提出了利用經典與量子相結合的方法實現量子隱形傳送的方案:將某一個粒子的未知量子態傳送到另一個地方,把另一個粒子製備到該量子態上,而原來的粒子仍停留在原處。其基本思想是:將原物的信息分成經典信息與量子信息兩部分,它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是傳送者對原物質進行某種測量而獲得的,量子信息是傳送者在測量中未提取的其餘信息;接收者在獲得了這兩種信息後,就可以製備出原物量子態的完全復製品。該過程中傳送的僅僅是原物質的量子態,而不是原物本身。傳送者甚至可以對這個量子態一無所知,而接收者是將別的粒子處于原物質的量子態上。在這個方案中,糾纏態的非定域性起著極其重要的作用。量子隱形傳態不僅在物理學領域對人們認識和揭示自然界的神秘規律具有重要意義,而且能用量子態作為信息載體,通過量子態的傳送完成大容量信息的傳輸,實現了原則上不可破譯的量子保密通信。

1997年,在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作,首次實現未知量子態的遠程傳輸。這是國際上首次在實驗上成功地把一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。實驗裏傳輸的隻是表達量子信息的"狀態",作為信息載體的光子本身並不被傳輸。

2012年,中國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現百公裏量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發,為發射全球首顆"量子通訊衛星"奠定技術基礎。國際權威學術期刊《自然》雜志8月9日重點介紹了該成果。"在高損耗的地面成功傳輸100公裏,意味著在低損耗的太空傳輸距離將可以達到1000公裏以上,基本上解決量子通訊衛星的遠距離信息傳輸問題。"研究組成員彭承志介紹說,量子通訊衛星核心技術的突破,也表明未來構建全球量子通信網路具備技術可行性。8月9日,國際權威學術期刊《自然》雜志重點介紹了這一成果,代表其獲得了國際學術界的普遍認可。《自然》雜志稱其"有望成為遠距離量子通信的裏程碑"、"通向全球化量子網路",歐洲物理學會網站、美國《科學新聞》雜志等也進行了專題報道。

爭議

(*【註意,本節中,以下被隔開的內容(是舊版的百科釋義,是關于"超光速"的)是錯誤的!根據此刻的實驗結果,從某個慣性系來看,在真空中,超過光速的物理信號(即某種粒子,它具有一份能量)是不存在的!(超過介質中的光速,是允許的,事實上也是存在的,即"切倫科夫效應";宇宙膨脹的"超光速",也並不違背"狹義相對論"的速度上限,因為這兩種情況下的"速度"不是一種東西。)量子傳態裏面根據"糾纏態"來推斷粒子狀態,正確的圖像,並不是說,對其中一個粒子的探測操作瞬時"影響"了另一個粒子的狀態,而是說,這兩個粒子的狀態(或者更準確地說,是狀態之間的關系),在它們剛形成"糾纏態"的時候就已經確定了,當你探測到其中一個的狀態時,你就可以馬上推斷出另一個的狀態。(這種"瞬時",並不涉及物理上的"信號傳輸",它僅僅隻是為了說明"糾纏態"這個東西是需要兩個(或多個)粒子之間"共同組成,缺一不可;一損俱損,一榮俱榮"而已。科學探索精神固然可貴,但幹嘛非要去跟"狹義相對論"過不去呢?如果"狹義相對論"錯了,那麽我們之前測得的那些實驗資料又怎麽解釋呢,全是垃圾嗎?)】*)

【上面一段的表述有問題。第一,量子糾纏確定的隻是兩個量子之間具有糾纏關系,而具體兩個量子的狀態並非一成不變的,隻要其中一個粒子改變狀態,另一個也會立即改變,並且這種改變是瞬時的,截止2013年的技術並不能檢測到兩個粒子之間發生了任何信號傳輸,他們之間究竟是靠什麽聯系至今沒有實驗能證明,有人認為是某種神秘信號,也有人認為是宇宙中固有的聯系,但實驗可以證明的是,讓他們之間產生聯系的如果是某種神秘信號,其傳輸速度遠大于光速,由于不能檢測到這種"信號"的任何能量,所以這種現象和狹義相對論之間是否對立不能簡單地下結論。第二,截止2013年的技術,量子通信的確不能超過光速,但這並不代表量子本身的狀態傳遞速度不能超過光速,量子通信不能超過光速的原因是由于研究和認識水準決定的,截止2013年的研究表明量子的狀態傳遞是不能攜帶任何信息的,也就是說量子的狀態傳遞不能作為經典通信中的載波,這樣的現實使得量子通信不能超過光速,至于未來如何發展沒有人能下結論。】

在2008年8月14日出版的最新一期《自然》雜志上,瑞士的5位科學家公布了他們的這項最新研究成果。瑞士科學家表示,原子、電子以及宇宙空間其他所有的微觀物質都可能會表現出異常奇怪的行為,其行為規律可能與我們日常生活中傳統的科學規律完全背道而馳。比如,物體可以同時存在于兩個或多個場所;可以同時以相反的方向旋轉。這種現象也許隻有通過量子物理學來解釋。量子物理學認為,任何事物之間都可能存著某種特定的聯系。發生于某一物體之上的事件,可能同時對其他物體也會產生影響。這種現象稱為"量子糾纏"。不管物體之間的距離有多遠,同樣存在"量子糾纏"的關系。

愛因斯坦堅決反對"量子糾纏"理論,甚至將其戲稱為"遙遠的鬼魅行為"。根據量子力學理論的描述,兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠,都能"感知"和影響對方的狀態。幾十年來,物理學家嘗試驗證這種神奇特徵是否真實,以及決定它的幕後原因。其實,我們可以運用形象化的說明來解釋這種現象。被糾纏的物體釋放出某種不明粒子或其他形式的高速信號,從而對其伙伴產生影響。此前,已有實驗證實傳統物理學領域中某種隱藏信號的存在,從而打消了人們對于這種隱藏信號的種種疑問。但是,仍然有一個奇怪的可能性沒有得到證實,即這種未知信號的傳輸速率可能會比光速還要高。

為了證實這種可能性,瑞士科學家開始著手對一對相互糾纏的光子進行實驗研究。首先,研究人員們將光子對拆散;然後,通過由瑞士電信公司提供的光纖向兩個村庄接收站進行傳送,接收站之間相距大約18公裏。沿途光子會經過特殊設計的探測器,因此研究人員能夠隨時確定它們從出發到終點的"顏色"。最終,接收站證實每對相互糾纏的光子被分開傳送到接收站後,兩者之間仍然存在糾纏關系。通過對其中一個光子的分析,科學家可以預測另一光子的特征。在實驗中,任何隱藏信號從此接收站傳送到彼接收站,僅僅需要一百萬兆分之一秒。這一傳輸速率保證了接收站能夠準確地檢測到光子。由此可以推測任何未知信號的傳輸速率至少是光速的10000倍。

而愛因斯坦不僅不接受"量子糾纏"的思想,並且還堅持認為不可能存在比光速還要快的信號,任何比光速快的"鬼魅似的遠距作用"都是不可思議的。根據1905年出版的愛因斯坦的相對論,他認為沒有物體的運動速度能夠超過光速。愛因斯坦解釋說,光速屬于自然界的一個基本常數:對于空間內所有的觀察者來說,光速都是一樣的。同樣是愛因斯坦的相對論解釋說,當物體加速時,物體本身的質量增加(質量增加是否因為量子糾纏?),而加速需要能量。隨著物體質量的增加,維持速度所需的能量也更多。當物體以接近光速運行時,愛因斯坦經過計算說,它的質量將達到無限大,所以要使得物體繼續運行的能量也要無限大,而要超過這一極限是不可能的。

而科學家們從實驗中得到的結論,既可以反駁愛因斯坦的"錯誤"觀點,也可以用來解釋同一事物同時出現在不同地點這一奇異現象。愛因斯坦都無法解釋的奇怪行為,正是量子物理學和量子通信的魅力之處。

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