量子通信与隔空传物

jkdo

前些天看到了一则新闻，中科大成功实现了远距离量子隐态传输。这条新闻本身没有什么特殊之处，估计大部分人都搞不清什么是量子，什么是隐态。为了吸引眼球，记者毫无意外地发挥了语不惊人死不休的特长，描绘了一幅量子通信的远景，某物从某地消失，瞬时间又出现在遥远的另外一个地方。本着刨根问底，小心求证的原则，这两天认真学习了一下量子力学，心得体会如下：

量子，泛指微观粒子。量子的运动不遵循中学学过的牛顿定律和麦克斯韦电磁定律，也不遵循描述宏观物体运动规律的相对论。量子运动最突出的是不能同时满足实在性和定域性。所谓实在性就是客观性，你不看月亮的时候月亮也在那里，月亮存在与否是与观测者无关的。而定域性是相对论的基础，简单说就是不可能做到超光速的信息和能量的传递（如果信息和能量可以超光速传递，就会出现回到过去，儿子出现在老子出生之前的因果紊乱）。物理学家在量子面前遇到了难题：实在性和定域性只能二选一。本着简单和优雅的原则，物理学家放弃了实在性而选择了定域性。也就是说量子的世界不是实在的，你不观测它的时候它不在那里，你观测的时候它才存在。汝未看此花时,此花与汝同归于寂,汝看此花时,此花的颜色才一时明白起来.不是风动，也不是幡动，而是心动。科学发展到量子力学这里，成了唯心主义。

在观测之前，量子处于所有可能状态的叠加态，当你以不同方式观测它时，它才明确呈现出特定的状态，呈现何种状态与观测者和观测方式有关——这真够唯心的。某些量子的状态存在某种神秘关联，比如，存在这样的一对量子，如果你测量得到的A量子的自旋方向为正，那B量子的自旋方向必定为负，相反，如果测量得到A量子的自旋方向为负，那么B量子的自旋方向必定为正。上述AB两个量子，对其中一个状态进行测量会导致量外一个在瞬间“极度配合地”确定自己的状态，这就是量子的相干性，有相干性的量子就处于相干态。进一步解释相干态如下：在测量之前，处于相干态的粒子的状态都是所有可能的叠加，当测量确定了一个量子的状态时，该量子对与它相干的量子说：“嘿，哥们儿，我的状态是XX，你要把你的状态弄成YY噢”，对方“听到”这个消息后，听话地把自己的状态明确成YY。实验证明，上述同步信息的传递是超光速的，而且不需要媒介。两个相干的量子，即使距离十万八千里，也可以瞬时协调好各自的状态。

相干态量子的这种协调，虽然超光速，但并不违反相对论，因为你不可能靠这种效应传递信息或者能量——但这一点，却是量子通信的基础。量子通信的原理是这样的：第一，把相干的两个量子A和B分别传送到信息的发端和收端；第二，另取一个量子C（这个C就是要被传输的东西），在发端对A和C做某种联合测量；第三，通过经典信道（比如打电话、发邮件等）把联合测量A与C的结果告知B；第四，收端在得知A与C联合测量的结果之后，做某种运算（或测量），运算之后B的状态与C在测量之前的状态就一致了（在发端对A和C进行测量的瞬间，由于A和B是相干的，B的状态也受到了某种程度的影响，这种影响，是C的初始状态可以在B上还原的根本原因）。到此为止，量子C在发端消失了（对量子的测量会导致量子状态的变化，从这个意义上讲，测量之后的C已经不是原来的C了），它又出现在收端（收端量子B的状态与原来C的状态相同，从这个意义上讲，C在收端重现了）。

具体到物体从某地消失，瞬间又出现在另外的地方，从上面的解释可以知道，单从物理原理上说是可能的。更严格的说法是物体在某地被销毁，然后在另一地用相同的原料被重构。当然，这仅仅是理论上说而已，事实上，我们没有办法保证在销毁-重构的过程中有一些重要的信息会被丢掉，毕竟人类对微观世界的了解还是太浅薄了，一沙一世界，一叶一菩提，谁能保证一个量子的内部不是一个具体而微的宇宙呢——把一个人的脑袋砍掉，然后再给他缝上，这人还能活吗？

上面提到，“相干”是量子通信的基础，现实环境中，把相干的量子分开传递到一定距离的两地时，由于各种干扰，相干性会消失，这限制了量子通信的距离。中科大的研究成果正是在这一点上取得了进步——在十六公里的距离上保持了相干。这离隔空传物还远着那。

虽然量子通信离实用化还很远，但这并不妨碍我们现在就量子通信的影响展开思考。与现在的通信方式相比，量子通信最大的特点是信道资源不再是瓶颈，甚至不再是有限的，量子信道的容量无限大，量子态传输的速度无限快，而且量子态的传输无法拦截，因而是绝对安全的。

量子通信走出实验室的那一天，通信行业创造的是怎么样一个世界啊！