量子纠缠最早是爱因斯坦提出来的。他把它称作“鬼魅般的超距作用”。
是什么意思呢?
有人说,量子纠缠就像心灵感应,你对一个粒子做测量,另一个粒子无论在哪里,都会瞬间响应,中间不需要任何时间,这是一种超光速的现象。
这就奇怪了,“任何物体都不能超光速”,这是爱因斯坦自己在相对论里提出来的啊?怎么他把自己推翻了呢?量子纠缠到底超不超光速呢?
假如两个粒子形成了量子纠缠,我只要测量其中一方的状态,就能瞬间推断另一方此刻的状态。我敲个黑板,我说的是瞬间推断,不是说我决定了另一方此刻的状态。
相对论说了,任何影响速度都不能超光速。此刻的你只受到此刻身边事物的影响,不受远处任何事物的影响,这叫作局域性原理。如果量子力学认为,测量会瞬间改变两个粒子的状态,就违反了局域性原理,肯定错了。
其实,爱因斯坦对量子纠缠“超光速”的理解是错误的。
但现实不是这么回事,其中并不存在“影响”,而只是存在某种关系。
这就像一个航天员跟妻子闹矛盾,跑到火星上躲了起来。他妻子上法院起诉离婚,法院批准,离婚就瞬间生效了。这个生效速度无视任何距离。就算航天员跑到银河系外面,离婚也是瞬间生效的。
所以,测量的影响不能超光速,但断绝关系完全可以超过光速。
知道这一点,量子纠缠的事你就好理解了。你测量其中一个粒子,就能瞬间推断另一个粒子的测量结果。这就好比航天员的妻子把字一签,法院一盖章,我们就能瞬间推断航天员现在是单身了。
我得先说一下,爱因斯坦误解量子纠缠的根本原因。这还是要回到咱们课程里反复提到的那个词,波粒二象性。
爱因斯坦还是在用单纯的粒子视角,看待量子纠缠。他总觉得,他是他,玻尔是玻尔,这是两个独立的人。所以,你一测量他就瞬间知道玻尔的状态,那他必然偷偷给玻尔发消息。
但真正的情况不是这样的。如果你从波粒二象性的视角出发,用数学公式波函数把它们的状态写出来以后,就会发现,只能写出一个波函数。也就是说,它们是一个波,是一个整体。
你测量了一个整体的两个部分,发现结果存在关联,根本没什么可奇怪的。
因为这里涉及两种不同的信息。
一种是必须用波函数才能写清楚的信息,叫量子信息。量子信息描述的是波粒二象性。
另一种是我们平常用的,比如短信、写小纸条这样的信息。这些信息要么通过电磁波,要么通过宏观物体传递,叫经典信息。
相对论说的是,经典信息的传播不可能超光速,但它并不限制量子信息。
这在量子力学中叫作“不可通信定理”,也就是你不可能利用量子纠缠来超光速传递经典信息。下次你再在科幻片里看到说,我用量子纠缠实现了超光速通信,你可以微微一笑,不必当真。
其实之前我说局域性就是“影响不超过光速”,是为了便于你理解。现在你知道了,局域性强调的是,我只研究北京的粒子,就能把北京的量子信息说清楚。此时此刻深圳的粒子,跟我没关系,我不研究它。
但量子力学说,它们实际上是有关系的,你要想说清楚北京的量子信息,深圳那边得配合你,你才能把它们的关系说清楚,而且这关系里面也包含量子信息。这就叫非局域性。
你现在应该知道,为什么说相对论和局域性不是一回事了。
相对论说的是经典信息不能超光速;局域性说的是,一个地方的人能不能把本地的所有事全都说清楚,超不超光速只是说事过程中要考虑的一种情况而已。