量子糾纏本質的思考｜「墨子」通信的起源

世界上第一顆量子衛星「墨子」已成功發射。

其實，在創業之前，我的物理研究方向，便是量子信息的理論部分。而我所在的機構－－中國科學技術大學上海研究院，便是「墨子」號衛星研發的主要研發機構。雖然因為人生髮展軌跡的變化，我選擇了另一條路，但是內心對量子糾纏、量子信息的熱愛從未下降，這也是我開創eigenPhys亦知物理開始寫物理文的原因，其實更多地是給自己一個思考空間。

說到和量子糾纏的結緣，還要談起自己的美國留學生涯。

那時候，我剛入從備胎名單中轉正，攻讀弗吉尼亞大學物理系博士學位。在一次講座中，我認識了量子糾纏，深深地被這種超距作用的現象所吸引。這次講座開啟了我對整個宇宙的新認識，也燃起了我的探索欲。

FIG. 1 講座者Barry C. Sanders，也是我的導師

「為何相距千里之外的兩個量子，會一直保持著某種緊密聯繫？」

「當其中一個量子發生變化時，這種變化是怎樣以超光速效應影響到千里之外的另一個量子的？」

這些問題一直讓我反覆思考。

於是我決定從事量子糾纏方面的理論研究。

我是幸運的，在我剛開始接觸這個領域時，就遇到了一個老師。他每周會給我出一個有趣的問題讓我去思考，並鼓勵我用量子力學最基本知識來推導。每推導出一個結果，他都會在此基礎上給我提出新的問題。最後，我發現這些問題一步步引導我推出了愛因斯坦和他同伴們在1935年推出的EPR悖論！

在《三體》物理揭秘智子篇中我講到，這個悖論原本是愛因斯坦等科學家用來證明量子力學的不完整性的。然而，卻直接誕生了理想實驗中的量子糾纏效應。原來，超距作用是存在的，在名為量子糾纏的世界中。當兩個量子產生了糾纏效應後，他們之間的信息傳輸，便是以一種人類迄今為止尚未了解的方式在進行，而這種效應已經超越了四維時空的極限速度－－光速。

量子力學只給出了數學上的解釋－－即當兩個量子發生糾纏後，他們會處於某個糾纏態。這時，當一個量子被觀測後，它會按照薛定諤方程描述的概率坍塌到某個本徵態上。那麼，與之「糾纏」的另一個量子，由於處於同一個糾纏態中，也會隨著這個所處的態的變化而變化。在數學上，這種變化是瞬時的（因為是同一個公式），卻發生在相距一定距離的兩個量子上，所以人們認定這種作用是超距的。

然而，我們知道，數學上的解釋並不是對本質的理解。數學本身只是一個語言，建立在一套邏輯法則之上的語言。而這種現象之所以能存在之本質的解釋，必須是在哲學層面上的，對事物的認識層面上的。況且，即便按照量子力學的基本原則推導出來的結論能解釋這種現象，量子力學基本原則背後的物理意義，也是不為人知的。例如，為什麼一個量子在被測量前的物理量有著多種可能性，被測量後卻立刻被確定了？再或者，我們的世界為什麼可以用一個存在於複數定義域的希特伯特空間的方程來描述？這種空間所代表的宇宙本質是什麼？當這些問題不能被很好地解釋的時候，任何其他的上層建築，都難以找到根本性的解釋。

對於其本質的思考，我也只能大概講到這裡了。畢竟所有這一切，遠遠超過了我自己的認識範圍。或者說，我在學術圈所從事的研究工作，並不能讓我專註于思考這些問題。相反，更多地是去將這種現象運用在實際中，即現實量子通信技術。包括最近發射的「墨子」衛星，就是這種物理現象的產物。由量子糾纏效應人們發明了一種密鑰的傳輸方式，這種傳輸方式可以有效地、絕對安全地防止第三方竊取，便是量子密鑰。而「墨子」衛星發射的目的，便是為了能在實驗中去檢測這種量子密鑰傳輸的有效性。

所謂的相關理論研究，也只是為這些現實產物建立數學模型而已。

或許這也是我選擇離開學術圈的根本原因之一。而當我在寫這篇文章的時候，我對宇宙本質的思考要比我從事物理研究職業來的更多。

當然，為了給大家普及量子密鑰，以及我的研究領域－－量子隱形傳輸背後的原理，我會在之後的文章中用最通俗的語言給大家從頭到尾講解。但是，請允許我在第一篇文章中保持我一個理想主義者的純粹性。

作為回饋，獻給大家我自己寫的一首曲子，是我為《墨家神機》建築宣傳視頻寫的同名配樂。也獻給翱翔在宇宙的「墨子」號。

網易雲音樂試聽：《墨家神機》專輯

FIG.2 《墨家神機》建築全景藉此機會透漏給大家，現在創業的項目是原創音樂方面的事業，我們的音樂公眾號ID為eigenTunes，有興趣可以搜一下。

最後，分享給大家我碩士老師給我出的第一個題目：

「Pengqing,

So here are some simple things to think about. I thought Id start with the quantum math. As you go, I can keep adding to them, so let me know if you get bored.

We start with a harmonic oscillator question (the quantum plane-wave electromagnetic field is just that): can you write the quantum evolution of the annihilation operator, a(t), in the Heisenberg picture?

(See Asher Peres, "quantum theory, concepts and methods", or Cohen-Tannoudji, Diu, Laloe "Quantum Mechanics" for more on the Heisenberg picture.)

Cheers,

Olivier」

為了方便，我給大家翻譯一下：

我們從一個筒諧振子的問題開始（因為量子力學裡面的平面電磁波的問題和這個問題非常類似）：你能寫出湮滅算符，a(t)，在海森堡圖像中的量子演變公式嗎？

有興趣的朋友可以當作周六活動，歡迎在留言板提出你們自己的疑問或解答。之後我會公布自己的解答方案。感謝微信的原創保護邀請，也感謝你們的支持，我會繼續和你們分享我的物理思考。

eigenPhys亦知物理，理性的浪漫。微信公眾號：eigenPhys