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第9章 瞬间移动时间机器和快速转动（第1页）

第9章　瞬间移动、时间机器和快速转动

即时Instagram（1）

如果地球上有两个纠缠的粒子，我们把它们发送到空间的两端，这种纠缠使它们能即时通信。我们能利用这种比光速还快的速度发送信号吗？遗憾的是，答案似乎是不能。

假设有两个未决定自旋的纠缠粒子，我们把它们密封在两个盒子里……我说过我不再用盒子作类比。那我们把它们密封在两只鸡的肚子里，一只鸡送往火星，另一只送往海王星。

我们的火星实验员打开鸡肚子，发现粒子处于上旋状态。她认为这很有趣。她马上就知道海王星上的另一名实验员在鸡肚子里看到了下旋的粒子。但她只能用普通的方法把这个结果告诉自己的朋友，此外别无选择。

我们无法通过纠缠链发送信号，因为所有纠缠链都是通过粒子采取的本征态而产生联系的。我们无法控制这种本征态（它是随机的），所以我们无法控制在纠缠粒子之间发送什么信号。

如果实验员能以某种方式说服一个粒子采取上旋或下旋的状态，她就可以用一系列的鸡来编码二进制信息，而她的伙伴可以在海王星上解码这些信息，但这是不可能的。

如果不测量，叠加态就不会被影响。测量使叠加态坍缩，让你的想法全部落空。通过量子纠缠，你能知道的唯一信息是另一位科学家的实验结果。比光速还快的通信是不可能的。但瞬间移动……

传送

2017年7月4日，一群在中国工作的物理学家公布了他们的新世界纪录：有史以来最远的瞬间移动。[1]此前的纪录是在2012年创造的，当时一组研究员成功地在加那利群岛[2]的群山之间把某个东西瞬移了143千米。这次的新纪录是之前的10倍。

这个团队由潘建伟领导，他们进行了一次量子隐形传态，起点是西藏的实验室，终点是距离地球1，400千米的Micus卫星。这是从地球到太空的瞬间移动，我体内的星舰迷（2）开始亢奋起来。

1993年，蒙特利尔大学的阿舍·佩雷斯、威廉·伍斯特和查尔斯·本内特提出了量子隐形传态。[3]我们已经知道，相对论不允许粒子速度比光速还快，但由于纠缠，关于粒子状态的信息可以绕过这个问题。

再想想爱丽丝和鲍勃。从纠缠机中诞生以后，它们被发送到我们想要相互传送的两个位置。鲍勃被送到卫星上，爱丽丝则留在地面的实验室里。我们不知道爱丽丝或鲍勃的任意一个属性（这是使它们纠缠的原因），但我们知道它们的叠加态。

现在，我们引入第三个粒子，也就是我们想要传送的粒子，我们叫她凯茜。凯茜的状态是已知的，如果我们让凯茜与爱丽丝接触，就能使她们纠缠在一起。

在这个过程中，我们必须确保不会意外地测量爱丽丝，因为测量会使爱丽丝和鲍勃之间的纠缠桥坍缩。但如果我们足够小心（使用受控非门和阿达马门（3）），就可以让凯茜摆脱自己的本征态，与爱丽丝纠缠在一起。

这相当于我们打开了爱丽丝所在的房间，当我们扶着门让凯茜进去的时候，并没有偷偷地往里看。现在，凯茜和爱丽丝处于一种叠加态，我们已经丢失了这二者的信息。但我们知道凯茜的原始状态，并且知道这种状态将由两者共享。

我们已经让爱丽丝和凯茜产生纠缠，同时并没有打破爱丽丝与鲍勃之间的纠缠，现在，哪怕鲍勃身处太空，凯茜的信息也与他共享。我们已经实现了一种三角纠缠—薛定谔肯定会赞成。

如果操作无误，我们就可以开始测量凯茜和爱丽丝的部分信息，她们的其他信息则与鲍勃的信息纠缠在一起。

假设我们测量凯茜和爱丽丝的头发颜色，但不测量眼睛的颜色。头发颜色的信息已经坍缩，但眼睛颜色的信息还有待发掘。如果现在对着鲍勃所在的卫星广播，让那里的人们测量鲍勃的眼睛颜色，很有可能鲍勃的眼睛颜色与凯茜相同。

凯茜本身并没有穿越空间，但她的部分属性已经转移了。这就好像鲍勃是一块空白画布，凯茜的图像被裁剪、粘贴到他身上一样。

佩雷斯和伍斯特把这种现象称为“量子提取”，但贝内特坚持认为“量子隐形传态”听起来更酷[4]。他是对的。

但是，有几点限制需要明确。第一，在与爱丽丝形成叠加态之前，凯茜会坚持自己的属性。这意味着我们不能把鲍勃变成凯茜，同时保留着原来的凯茜。如果我们想要转移凯茜的属性，就必须先把这些属性剥离出来。这就是所谓的“量子不可克隆定理”，即量子信息可以传输，但不可复制。

第二，如果另一端没有检测信息的测量设备，我们就无法传输信息。在测量完凯茜和爱丽丝之后，我们仍然需要发送一个常规信号，告诉携带鲍勃粒子的人测量哪种属性。如果我们发送的信息是眼睛颜色（这一点是无法控制的），那么测量鲍勃的头发颜色是无用的，因为它已经坍缩了。

很明显，真正的量子隐形传态并不是测量眼睛的颜色，而是测量粒子的自旋和能量等。但这些性质是粒子本身的属性，所以它们可能是一样的。

如果做量子隐形传态的次数足够多，理论上我们可以把粒子的所有属性依次转移到另一个粒子上，哪怕这个粒子远在卫星。如果卫星上的粒子与地球上最初的粒子相同，这就相当于你把它传送了。

我提过量子力学的时间旅行吗

提到过一些。这是一个还在讨论的实验，叫“延迟选择量子擦除实验”，它属于霍格沃兹（4）图书馆的禁咒区，因为它腐蚀了无辜的年轻物理学家的头脑。

创造一对纠缠的粒子，把其中一个（爱丽丝）发送到简单的、另一端有屏幕的双缝设备。接着，向粒子探测器发射鲍勃。如果打开探测器，鲍勃的波函数就会坍缩；如果不打开，他将处于叠加态。

由于鲍勃与爱丽丝纠缠在一起，发生在检测器处的鲍勃身上的事情会立即影响双缝处的爱丽丝。当鲍勃靠近时，如果打开探测器，鲍勃就会坍缩，迫使爱丽丝也坍缩，她将像经典粒子一样只通过一条狭缝。然而，如果关闭探测器，鲍勃将继续处于概率波状态，而爱丽丝会同时穿过两个狭缝，直到她撞在屏幕上的某个地方，成为斑马条纹的一部分。

重复操作几百次，你会得到一个完美的结果。如果在15%的情况下打开鲍勃探测器，那么在15%的情况下，爱丽丝粒子就会以经典方式撞击屏幕，而另外85%的情况下粒子会“形成斑马条纹”。

如果把双缝放在激发爱丽丝粒子的纠缠机旁边，爱丽丝会通过它，并不得不表现出粒子性或波动性，这取决于是否探测鲍勃。但如果鲍勃探测器在一千米外呢？

想象这样一种情况，爱丽丝已经穿过双缝，而鲍勃还没有抵达探测器，且不知道是否开启了探测器。如果鲍勃被探测，爱丽丝就必须像粒子一样穿过双缝；如果鲍勃没有被探测，爱丽丝就必须像波一样穿过双缝。爱丽丝不知道是否开启了探测器，所以她不知道鲍勃是否被探测。她该怎么办？

我们延迟了爱丽丝的选择，使她在不得不坍缩的时候选择是否坍缩，因此结果发生在原因之前。像这样的机器一定很疯狂吧？1999年，金允浩建造了一台。而爱丽丝每次都做出了正确的选择。[5]以尼尔斯·玻尔的足球的幽灵之名，这怎么可能？

如果在42%的实验中设置探测器测量鲍勃，就会有42%的爱丽丝以粒子的形式通过。如果在89%的实验中设置探测器测量鲍勃，就会有89%的爱丽丝以粒子的形式通过。无论打开探测器的频率是多少，爱丽丝总会做出正确的回应。

这就好像爱丽丝看到了未来，知道鲍勃将通过纠缠链给她传递什么信息。纠缠信息的传播速度显然比瞬移还快。那么，我们能从未来向过去传递信息吗？

假设我们在实验中发射了三对纠缠粒子，并观察爱丽丝粒子。我们让鲍勃走很长的路径，要24小时才能到达。一位科学家同意在24小时内走到鲍勃探测器，并按照特定的模式开启或关闭，该模式与天气有关。如果天气晴朗，他就开—关—开，如果天气阴湿，他就关—开—关。