出品：科普中國

制作：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 郭光燦 中國科普博覽

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約100年前，阿爾伯特·愛因斯坦提出了一套飽受爭議的量子物理理論，即“幽靈般的遠(yuǎn)距效應(yīng)”（spooky action at a distance）。他認(rèn)為量子糾纏理論不夠完整，有所缺失，并認(rèn)為這種“幽靈遠(yuǎn)距效應(yīng)”并不存在。

愛因斯坦（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

如今，一名科學(xué)家希望證明愛因斯坦的理論是正確的。而他借助的工具其實與量子物理關(guān)聯(lián)不大——人類意識。這項研究可能是科學(xué)研究首次觸及意識領(lǐng)域，但是對于量子糾纏理論的影響尚未可知。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

愛因斯坦提出“幽靈遠(yuǎn)距效應(yīng)”后諸多的科學(xué)實驗中，科學(xué)家們都試圖證明愛因斯坦是錯的，并試圖運用量子糾纏理論去做一些看似匪夷所思的事情，比如用愛因斯坦“幽靈”實現(xiàn)超光速通信或企圖用它傳送諸如人之類的實體物，這些實驗看似真的很荒謬，實際上也是不可行的，那究竟是為什么呢？

量子糾纏理論

要了解量子糾纏理論用于實現(xiàn)實體物傳送尚不可行，我們首先必須了解一下這個理論——量子糾纏。量子糾纏是指，兩個粒子即使相隔數(shù)光年之遙，也能夠具有相互聯(lián)系的特性。

這種“相互聯(lián)系”的特性看似詭異，一如雙胞胎所謂的“心靈感應(yīng)”，那么這種“隱形”聯(lián)系是否存在呢？

愛因斯坦認(rèn)為，這說明量子糾纏理論存在漏洞，為了證明僅用量子力學(xué)描述世界的不完整性，他從量子力學(xué)原理出發(fā)，推演出一個十分荒謬的結(jié)果，這就是愛因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯謬”。

EPR佯謬（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

“EPR”佯謬

設(shè)想有一個量子系統(tǒng)由兩個自旋為1/2的粒子構(gòu)成，每個粒子的自旋要么向上（↑），要么向下（↓），但兩個粒子的總自旋為零，這意味他們總是處于自旋相反的狀態(tài)。

現(xiàn)在將粒子A和B分別配置于相距遙遠(yuǎn)的兩個地方，例如，A在地球上，B在月球上。按照量子力學(xué)的預(yù)言，每個粒子的自旋方向是不確定的，在任何方向上測量會有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被測量并發(fā)現(xiàn)其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不測量也能確定其自旋必定向上，因為AB自旋總是相反的。

可見，地球上A未測量時，月球上B只有一半概率向上，而地球上A一旦被測量，并發(fā)現(xiàn)自旋向下，那月球上的B立刻以百分之百概率處于自旋向上的狀態(tài)。月球上B的狀態(tài)似乎是瞬時被地球上A的測量所控制，這種控制行為以超光速方式發(fā)生。這就是從量子力學(xué)原理推演出來的必然結(jié)果。

愛因斯坦由此斷定，“超光速”行為是絕對不可能發(fā)生，他稱之為“幽靈般的超距作用”。量子力學(xué)造就出這個不可能存在的“幽靈”，由此可見“量子力學(xué)是不完備的”，不足以正確地描述真實的世界，為正確地描述世界，必須從量子力學(xué)理論體系之外引進(jìn)新的參數(shù)（俗稱為隱參數(shù)），來消除“量子世界的概率性”，這個“幽靈”也自然就消失掉！這就是EPR佯謬的故事。

那么量子力學(xué)如何應(yīng)對EPR佯謬？如何解釋這個神奇的幽靈呢？首先，在EPR實驗中，月球上B雖然測到自旋向上，但僅從這次測量的結(jié)果，無法推斷出它是以50%還是100%的概率獲得此結(jié)果的，換句話說，它根本不可能由此知道地球上A是否被測量這個信息，因此這里根本不存在“信息傳送”。即使“幽靈”超光速，也不違背狹義相對論“信息傳送不能超光速”的原理。

量子隱形傳態(tài)

上述EPR實驗中，似乎地球上A的測量是“因”，而月球上B的后測量是其“果”，而“幽靈”擔(dān)負(fù)著這個“因果”關(guān)聯(lián)的角色。如若“幽靈”的角色真的存在，那可否利用量子來進(jìn)行實體物的傳輸呢？

“量子隱形傳態(tài)”是量子糾纏的一種奇妙應(yīng)用，并被實驗所驗證。這個過程已成為量子通信等的重要物理基礎(chǔ)，已開辟出具有潛在應(yīng)用價值的新技術(shù)。

量子隱形傳態(tài)的英文是“Quantum Teleportation”。先說一下，“Teleportation”的含義是“遠(yuǎn)距傳物”，通常在科幻電影或神話小說中出現(xiàn)，人或物在某地突然消失，瞬間在遠(yuǎn)處重現(xiàn)?，F(xiàn)實中當(dāng)然無法做到，但“量子糾纏”出現(xiàn)后，科學(xué)家提出“量子隱形傳態(tài)”的方案，可以使量子信息或者稱量子態(tài)在某處消失，隨后在遠(yuǎn)處重現(xiàn)，有點像上述神話中的“遠(yuǎn)距傳物”。具體過程如下：

另一點特別要強調(diào)的是，A、B、C都應(yīng)當(dāng)是量子客體，它們可以不屬同一類，可以分別是光子、原子、電子等，但都遵從量子力學(xué)規(guī)律。

結(jié)論是，量子隱形傳態(tài)是量子客體之間的一種“非瞬時的”量子信息傳送的過程。

這個結(jié)論否定了經(jīng)典客體之間實現(xiàn)這種隱形傳送信息的可能性。經(jīng)典信息的傳送必須有物理載體的攜帶才能實現(xiàn)，這種物理載體可以是聲波、電磁波（包括光波）、引力波等。

因此，想要用量子進(jìn)行實體物的傳輸基本上是不可能的。

雖然量子糾纏理論并不能運用于超光速通信與實體物傳送，但是理論本身依然有很大的研究空間，如若我們開頭所說的物理學(xué)家能夠從人的思維領(lǐng)域證明愛因斯坦的正確性，那是否又會引領(lǐng)物理學(xué)的新一輪革命？讓我們拭目以待。