当人们听到量子世界的种种离奇事,就会觉得那个世界里充满了模糊性和不确定性。似乎只要我们想知道关于量子粒子的任何具体信息,就会碰上一堵砖墙。想知道电子走的是两条缝隙中的哪一条?不行。想同时知道电子的位置和动量?算你不走运,还是不行。那盒子里的猫是死是活?都有可能。我们似乎搞不清量子世界的状况。
量子世界:玄之又玄……
但这种印象是错误的!我们确切地知道量子世界是如何运转的,只是它的运转方式与我们每天经历的世界不同。有些问题我们无法指望得到答案,因为它们是无意义的问题。一个量子粒子并不同时具有明确的位置和动量。问一个粒子的精确位置和速度,就像问绿颜色的味道如何。
我们不仅能很好地了解量子力学这个奇特的世界是如何运转的,我们还可以利用它的特性来给我们帮忙,凭借这些完成惊人之举!其中一个最有趣的例子就是量子隐形传态。利用粒子可以纠缠的事实,加上对系统的每一次测量都会改变系统的事实,我们可以将一个量子位从一个地方传送到另一个地方。
……但我们可以随意让它弯曲!
现在,趁着你对《星际迷航》中的传送器没抱多大希望,我要强调一下,本节的内容和那玩意儿没关系。我们所说的量子隐形传态,传送的是电子的自旋状态——一个量子位,意思是电子本身无须移动,该状态就可以从一个电子转移到另一个电子上。
艾米抓住了一个电子
想象一下,艾米的实验室里有一个具有特定量子位的电子,它的自旋可能是向上、向下或者介于两者之间的任何量子叠加态。实际上,艾米很可能不会准确地知道电子处于哪种状态。为了隐形传态有效,她也不需要知道。其实,如果量子位是未知的,也没有办法精确地找出它是什么状态。我们可以尝试测量,但能得到的结果只有“向上”和“向下”。这并不能告诉我们电子当时到底处于什么量子位。而且在测量之后,我们无论如何都会改变电子的自旋,所以这件事我们无从得知。
但这就是量子隐形传态的奇妙之处:量子位可以在我们不知道的情况下被传送!你从来没有测量过量子位,实际上你测量的是不同的东西。
麦克斯韦在等待艾米的一条消息……
现在要有更多电子参与整个传态过程,所以我们得开始给它们取名字了。
麦克斯韦坐在另一个实验室里。在整个实验开始之前,艾米和麦克斯韦做了一些准备:他们创造了一对纠缠的电子。艾米带着电子A,麦克斯韦带着电子B。他们必须小心对待它们,以免破坏它们之间的纠缠关系。
艾米的实验室里有她最初的那个电子——我们称它为C——它有一些未知的量子位,她想把这个量子位传送给麦克斯韦。此时她也有电子A,和麦克斯韦实验室里的那颗电子是纠缠在一起的。现在有意思的来了,艾米同时对A和C进行测量,测量这两个电子的纠缠程度。
等等——A和B不是纠缠在一起吗?C和它们都没有纠缠在一起!嗯,没错,但请记住,每一个测量过程都会改变系统的状态。当艾米测量了A和C的纠缠后,它们之后会以某种方式纠缠在一起!而她的测量结果会准确地告诉她A和C是以什么方式纠缠的。
不过,艾米的这个测量过程对B也有一定的影响。原来,因为A和B是纠缠在一起的,所以对A和C的测量也会改变B的状态。事实上,在艾米确定了A和C之间的纠缠之后,麦克斯韦的电子B将不会再与其中任何一个纠缠。相反,它将处于A一开始就处于的原始状态!所以仅仅是进行了一次测量,艾米就把B和C的角色调换了!那么隐形传态就发生了。
……这条消息将告诉他该向什么方向转动他的电子。
其实,故事还没讲完。艾米需要写下她的测量结果,并把它寄给麦克斯韦。
根据A和C所实现的确切的纠缠方式,B此时可能和C之前的状态不完全一样,而是稍微旋转了一下。艾米把测量的结果告诉麦克斯韦,B要如何旋转才能与C的原始量子位一模一样。
好了,我们要对刚才的情况评论一番:量子传送其实并没有把电子从一个地方转移到另一个地方。只是我们把一个电子的所有信息转移到了遥远的另一个地方(从C到B)。当艾米对A和C如何纠缠进行测量时,隐形传态的过程就开始了。当她把测量的结果告诉麦克斯韦后,这个过程就结束了。她需要用传统的方法来做这件事,这就是为什么隐形传态不会比光速快的原因!
隐形传态与克隆无关
还有一点很重要的是,隐形传态不是复制。因为艾米对电子A和C进行测量,她改变了它们的状态。在测量之前,C有一些量子位,但测量之后,C与A处于某种奇怪的纠缠状态,不再是原来的量子位状态了。隐形传态过程结束后,拥有原来的量子位的就只有B了。所以,为了传输一个状态,你必然需要破坏原有的信息。你了解到这儿其实可以松口气了——如果未来某一天我们真能用这种方法传送整个人,而不是只传送电子,我们应该不会有不小心复制出大活人的问题,身边也不会围着同一个人的好几个版本。
顺便说一句:虽然量子隐形传态听起来像科幻小说,但这种传送其实已经有人做过了。单个电子的自旋已经成功地进行了几公里的远程传输!这听起来是个好消息。但是你想想:人的体内大约有1028个电子,更不用说所有质子和中子的数量了。所以,要想不再乘车上下班,我们还有很长的路要走……