并非超光速电报

1981年,物理学家尼克·赫伯特利用量子力学的奇特特性设计了一个超光速通信系统。寻找其微妙缺陷的探索引出对量子世界深刻的新理解

赫伯特的 FLASH 系统——这个缩写代表“首个激光放大超光速连接”——使用了一个发射反向成对光子的源。该方案关注光子的偏振——即它们相关的电场振荡的方向。光子可以是平面偏振的,其电场沿水平方向 (H) 或垂直方向 (V) 振荡。或者,光子可以是圆偏振的,其电场以右旋 (R) 或左旋 (L) 方向描绘螺旋图案。

物理学家早就知道,偏振的两种类型——平面或圆形——密切相关。平面偏振光可用于产生圆偏振光,反之亦然。例如,一束 H 偏振光由特定组合中等量的 RL 偏振光组成,正如一束 R 偏振光可以分解为等量的 HV 一样。对于单个光子也是如此:例如,处于状态 R 的光子可以表示为状态 HV 的特殊组合。如果将光子制备为状态 R,但选择测量平面而不是圆形偏振,则会有相等的概率发现 HV:这是薛定谔猫的单粒子版本。

在赫伯特构想的设置中,一位物理学家爱丽丝(图中为“探测器 A”)可以选择测量朝向她的光子的平面偏振或圆形偏振 [1]。如果她选择测量平面偏振,她将以相等的概率测量 HV 结果。如果她选择测量圆形偏振,她将以相等的概率发现 RL 结果。


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此外,爱丽丝知道,由于光子源的性质,她测量的每个光子都有一个与她搭档鲍勃移动的纠缠双胞胎。量子纠缠意味着两个光子的行为就像一枚硬币的两面:如果测量其中一个处于状态 R,则另一个必须处于状态 L;或者如果测量其中一个处于状态 H,则另一个必须处于状态 V。根据贝尔定理,关键在于爱丽丝选择测量哪种类型的偏振(平面或圆形)应该立即影响另一个流向鲍勃的光子 [2]。如果她选择测量平面偏振并恰好得到结果 H,则朝向鲍勃的纠缠光子将立即进入状态 V。如果她选择改为测量圆形偏振并发现结果 R,则纠缠光子将立即进入状态 L

接下来是赫伯特的特别之处。在第二个光子到达鲍勃的探测器之前,它进入了一个激光增益管 [3]。到那时,激光已经存在了 20 年,正如主要的教科书通常吹捧的那样,激光的输出具有与输入信号相同的偏振。这表明激光器应该释放出与爱丽丝在她这边发现的互补状态的光子束。然后,鲍勃可以分束 [4],将一半发送到测量平面偏振的探测器 [5],另一半发送到测量圆形偏振的探测器 [6]。

如果爱丽丝选择测量圆形偏振并恰好发现 L,那么朝向鲍勃的纠缠光子将在进入激光增益管之前立即进入状态 R。从激光器中会爆发出一束朝向鲍勃的 R 光子。然后,他可以将一半的光束发送到测量平面偏振的探测器,另一半发送到测量圆形偏振的探测器。赫伯特由此得出结论,在这种情况下,鲍勃将发现一半的光子处于状态 R,没有处于状态 L,以及四分之一处于状态 HV。瞬间,鲍勃就会知道爱丽丝选择测量圆形偏振。爱丽丝的选择——平面或圆形偏振——将像莫尔斯电码的点和划一样起作用。她可以通过交替选择测量哪种类型的偏振来向鲍勃发送信号。鲍勃可以比光在他们之间传播的速度更快地解码爱丽丝代码的每一位。

正如 GianCarlo Ghirardi、Tullio Weber、Wojciech Zurek、Bill Wootters 和 Dennis Dieks 各自澄清的那样,赫伯特的设备实际上不允许超光速信号传输。例如,处于状态 R 的光子将以等量 HV 的组合存在。每个基础状态都会被激光放大。因此,输出将是两种状态的叠加:一种是所有光子都处于状态 H,另一种是所有光子都处于状态 V,每种状态的概率均为 50%。鲍勃永远不会同时发现一半处于 H 状态,一半处于 V 状态,正如物理学家永远不会发现薛定谔的猫在打开盒子时既半死不活一样。因此,无论爱丽丝在她那边选择什么设置,鲍勃都只会收到噪声。鲍勃的探测器会以随机组合的形式,每时每刻闪烁 HRVLHL 等。他永远不会发现HVR,因此他无法确定爱丽丝试图告诉他什么。量子纠缠和相对论毕竟可以共存。

这一发现被称为“不可克隆定理”:关于量子理论最终基础的有力陈述。一个任意的或未知的量子态不能在不扰乱原始状态的情况下被复制。在尼克·赫伯特的思想实验和他才华横溢的批评者之间展开猫捉老鼠的游戏之前,没有人认识到量子理论的这个基本特征。量子理论对任何人(包括潜在的窃听者)获取单个量子粒子并复制它们的能力设置了最终限制,这一事实很快成为量子加密的基础,并且今天处于蓬勃发展的量子信息科学领域的核心。

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