量子通訊能實現全宇宙實時通訊嗎?


答案很明確:不能。

如果你在哪裡看到說可以,那麼或者是科幻小說(例如劉慈欣的《三體》),或者是那種糟糕透頂的「科普」文章,即作者水平太低,自己都不知道自己在說什麼的「科普」文章,或者壓根就是徹頭徹尾的偽科學文章。

量子通訊(也往往寫成「量子通信」)是一個科學研究領域,它屬於「量子信息」這個學科。量子信息是描述微觀世界的基本物理理論「量子力學」跟信息科學交叉產生的新學科,正在蓬勃發展。信息科學有兩大研究主題,通信和計算,所以量子信息也相應地分為量子通信和量子計算。量子信息的研究目標,就是利用量子力學的特性,實現傳統信息科學中實現不了的功能。

具體一點說,跟題主問的相關的包括量子通信中的兩種應用:量子密碼術(又稱為「量子保密通信」)和量子隱形傳態。量子密碼術是一種保密的方法,實現無法破解的解密。量子隱形傳態是把一個體系的狀態傳給遠處的另一個體系,相當於科幻電影中的傳送術。但無論是哪個,最高速度都是光速,不是無限大,所以不能實現全宇宙實時通訊。

《星際迷航》中的傳送術

其實,所有的量子信息實驗方案都是基於已知的物理原理設計出來的,每一個步驟都在量子力學和相對論的預言範圍之內,所以怎麼可能違反已知的原理呢?你應該把量子信息理解成一種在現有理論框架下的充滿創造力的工程成就,好比長城、趙州橋、高鐵、宇宙飛船,而不是一種顛覆現有理論框架的科學革命。


可以,只是現在人類的技術條件還達不到,相對等級還太低。

量子糾纏的原理前面已經有很多人解釋的很清楚了,所以就不再熬述,它就是指處於糾纏態的狀態改變能夠瞬時超越光速,傳遞到另一個糾纏中的離子。

目前量子通訊是偽通訊,不能超越光速限制的原因是因為無法遠距離創建糾纏態離子,也就是創建糾纏對的離子現在是在一起的,雖然它兩個之間有超越光速的能力,但你要用光速把它兩個傳遞到不同位置就又變成光速內了。就像飛機用一群豬拉著。但是起碼有多條手段可以破解該問題。

方案一,中繼站原理。比如地球火星之間建立一坐糾纏發生器,同時把創建的糾纏態離子發送給地球和火星,兩地之間按照約定好的時間點進行測量,即可實現2倍光速的通信。比如發送一個比特位的糾纏給火星,火星要給地球傳送數字3,它只用時間段1測量3對應的量子位0000011,地球在2時間段測量自己的量子位,就拿到了火星傳遞的3,也就實現了超光速通信。

方案二,解決量子糾纏距離問題。量子糾纏的量子對可以進行糾纏,需要分清其糾纏的原因與狀態,如力場,光束偏導,波函數等,現在之所以不能異地創建糾纏,是因為目前的科技對力的控制,糾纏場外干擾因素的研究還沒有掌握清楚,無法精準控制能量,所以無法做到遠距離創建糾纏,一旦突破了糾纏創建距離問題,即可實現真正意義上的量子通訊。


就問你懵B不懵B?別說理工科生了,咱們民科生簡直就是崩潰了,沒關係,誰叫咱民科生有智慧呢?我以民科的思考方式給你們一個清晰易懂的解析。

先假設一個場景,一天你內急上茅廁,出來時門口迎面撞上張全蛋,「張全蛋,你也上茅廁啊」?

「是啊」

大約過了一分鐘,你在洗手,這是看見張全蛋出來了,「你拉完了啊?」

「是啊」

現在問題來了:你怎麼知道一分鐘前你看見的【張全蛋】和一分鐘後你又看見的【張全蛋】是同一個人?

我們知道,人體的細胞是不斷分裂和消亡的,幾乎大約21天,你體內的細胞就換了個遍,從認知角度看來,你也可以說你不是原來的你了,因為組成你這個身體的物質完全就是【新】的了!

當然,細胞分裂不是在時間上同時分裂的,是這一剎那A細胞分裂,那剎那B細胞分裂。

就是每一剎那,你都不是完全的原來的你,但也不是全新的你(你原有的細胞和你的新分裂的細胞並存)。

原來的你和每時每刻都在變化的你,這個狀態我們用【糾纏】來表述可以吧?

哎,哎,看到重點了吧?量子糾纏就很好理解了吧?

就是,當張全蛋進入茅廁和出來茅廁這一分鐘,他的細胞不斷變化,你看他出來的一剎那,相比於進去時的張全蛋,他已經變化了,如果我們把他的每一次變化都做個標記,那麼他身上其實是張全蛋1、張全蛋2、張全蛋3……張全蛋N的混合體,科學的詞就叫做疊加態。

但在你眼中,張全蛋只有一個,所以張全蛋走出茅廁被你看見後,你看見了張全蛋1或張全蛋51,在你的意識里定格成張全蛋,唯一的張全蛋,比如張全蛋51態定格了,其它張全蛋啊1、張全蛋2、張全蛋250態就坍縮了,注意,不是消失了。

就是說,在你的定義(意識)里,張全蛋的一個態呈現出顯性,其它太態呈現出隱性。

哎,哎,量子疊加態的坍縮你理解了吧?坍縮只是基於我們觀測的角度,而不是說客觀上坍縮的態就消失了,我們觀測只能是固定的時間觀測一個現象,確定這個時間的形態,而微觀世界是一直變化的,就是多態疊加,所以測不準。

有點難理解了?好吧,我們在引入民科思維:你閉上眼睛,想像你的身體被放大,放大……我們知道,人體是有很多很多的原子組成的,原子之間是有間隔的(空間),這時你放大的身體影像就是一個個的圓點(原子)和間隔,原子在變動,是不是你的身體就不是我們宏觀世界看起來那樣是固態的,而是有「飄啊飄」的即視感?

這時如果你是靠牆站的,如果以牆為坐標軸的一軸,地為另一軸,那你的心臟在宏觀世界看是不是在坐標固定的位置?但是,微觀世界(就是把你的身體放大很多很多倍),你的心臟的影像只是很多的圓點和圓點間的空隙組成,原子是不斷運動的,上下左右,所以由原子組成的心臟是不是也是上下左右在「飄」?每時每刻都不能【完全固定】?

這就是【測不準】原理,換一種話說,我們畢竟思維模式是以宏觀世界為基準的,你是張全蛋就是唯一張全蛋,不可能是張全蛋1或張全蛋51。

所以,並不是量子世界多神秘,而是宏觀世界中我們不知道怎麼描述!

也就是說,量子說只是描述了微觀世界最小非連續性的單位的運動規律,而不是很多人理解的量子是一個超脫於其它物質的特例獨行的一種【物質】。

重點:是運行規律描述,而不是特有的物!

量子的概念類比就是數學中的數字,比如5,既不是5個蘋果也不是5根香腸,就是數字5.所以說,把5根一樣的香腸瞬間分開放置不同的地方我們在家裡看到一根,那麼我們就可以瞬間知道隔壁老王家和南極張寡婦家也有同樣的香腸,信息就傳遞了,這個思路是錯的。(這個有點饒,好好想)。

所以,實施通信的還是只能是物質的【信道】,量子理論的應用只是在加密的應用上,我們再想像那個被放大的你,是由很多圓點和空隙的集合,你飄啊飄的過來,想狙擊你的敵人很難瞄準一個點射殺你,如果敵人開一槍打中一個圓點,你稀里嘩啦就散掉了,敵人連你的屍體都得不到……這就是量子理論加密的原理。

總結:

量子力學只是描述粒子們飄啊飄的規律。

量子是個抽象概念,不是實指有個叫【量子】的這麼個東西。

量子不會受到意識干擾,所謂的意識進入導致量子疊加態坍縮,只是我們的觀測被干擾了,不知怎麼定義了,而不是糾纏態的粒子被干擾了,它還是那個飄啊飄的粒子,只是我們要描述這顆粒子的狀態,必須只能是取一個點,要不沒法繼續【表述】。

那你說,我們可以用連續性來表述啊,把粒子表述成一條直線啊。

對不起,也不行,因為粒子是非連續性的,怎麼理解?

假設我們在平地上走1米,我們可以走一步也可以走100步也可以走1000步,只是我邁步的大小罷了,這叫連續性。

但是,走樓梯呢?比如一米內有五級台階,那你只能按台階走,一步走一個台階或兩個台階或三個台階……你不可能一步走出一又二分之一台階吧?台階只能整數級走,沒有走半步台階的道理,這,就叫非連續性。

微觀世界裡,最小的物質構成的運動規律都是非連續性的。

好了,不說了,您再按我說的消化消化,估計量子力學大概齊是啥你會有點概念了。

民科不死,民科加油!


有一個網友回答的是不能,說量子不能觀察,只是知道兩個粒子之間的相互狀態,無法傳遞信息云云。還說認為能傳遞信息的人都是錯的云云。

我想告訴這位網友,你才是錯的,你大錯特錯了。

首先,量子力學裡面的粒子糾纏狀態就是兩個粒子之間的信息交換過程,其中一個被寫入左旋,另一個會自動感應並表現出右旋。所以,這就是一個信息傳遞的過程,只是我們還不能掌握更多的信息相互傳遞而已。但是經過技術的不斷創新,這個結果是顯而易見的,答案是可以傳遞信息,包括星際和全宇宙都可以,這取決於你如何在宇宙另一端接收信息。

其次,提問者問粒子糾纏的信息交互是否能夠超越光速。我覺得這是兩個概念的問題,光速是參照光子和時空之間的比較速度。而粒子糾纏是粒子和時空之間的信息轉換,有網友說粒子糾纏更像是多維空間的信息轉換,這個我贊同,但是保留個人意見。

粒子糾纏間的信息傳遞我個人覺得他不止是空間維度問題,更應該是空間本身的信息交互,因為空間本身就存在粒子,粒子也就是空間的一個組成部分,因此粒子糾纏就是空間本身信息交換,沒有傳進傳出,只是兩個不同狀態下的展示,包含在了時空內。

當年愛因斯坦說這是幽靈一樣現象,兩個毫無關係,距離甚遠的粒子怎麼會相互糾纏呢?我想他當年太在乎介質了,或者說太在意物質了,而忽略了時空本身,它已經包涵了我們所要寫入和讀取的信息,有興趣的朋友可以點擊我的名字查看我的時空內塌縮理論,時空從沒有向外擴張,而是不斷向內塌縮出更多。

結論就是兩個粒子之間無論多遠,甚至宇宙兩個邊緣(如果宇宙有邊緣的話)他們之間依然可以進行及時的信息交互,因為這不是距離問題,不是速度問題,是時空本身包含的粒子在進行信息存儲和讀取。

手機打字,同意點贊。


先給答案:不能!

其他問題可以晚一點再回答,這個問題片刻都不能再等了。看到很多人不太懂量子通信,但是又在這裡一本正經的給大眾科普,這樣誤導了廣大了吃西瓜群眾真的好?

一個廣為流傳的錯誤理解

很多人對量子通信的理解來源於神秘的量子糾纏,量子糾纏可以可以讓兩個處於糾纏態的粒子超越時空超越光速的感應在一起,於是很多人就理所當然的認為基於量子糾纏的量子通信是可以超光速超空間的。

錯錯錯,大錯特錯!!!

什麼是量子糾纏?

通俗的解釋就是處於糾纏狀態下的兩個粒子(自然狀態下就有這樣的粒子,也可以人工去製造)無論相隔多遠,都能鬼魅般的感應到另外一個粒子的存在。就是說處於糾纏態的兩個粒子之間的狀態是有一定關係的,只要知道其中一個的狀態,另一個就能推算出來。但是,這種糾纏態一旦有一個粒子被測量了,一個粒子因為測量狀態確定之後,這種糾纏態就解除了,然後這兩個粒子之間就不能再心電感應了。

為什麼基於量子糾纏的量子通信無法超光速?

下面是重點了:處於糾纏態的兩個粒子雖然能實時感應到對方,但是他們也就只能感應到對方而已,並不能傳遞信息。大家先想想什麼叫傳遞信息?我在這邊發一個1010,你在那邊如果也能收到1010,那這個信息是傳遞過去了,但是量子糾纏有什麼問題?微觀粒子的狀態是不確定的,你在觀測之前你壓根不知道這個粒子是什麼狀態,我僅僅只能知道我如果觀測到這個粒子是自旋向左(打個比方,比如自旋為左代表1,右代表0),那麼我就可能可以推測出另一個是右,但知道又有什麼用呢?

通信是要傳遞信息,我需要你把確定的左右左右的順序傳過來,而不是你發現它是左還是右。如果量子糾纏是這樣的:我這個粒子能感應到你的狀態,並且你的狀態改變了之後我的也能跟著改變,這樣才算傳遞了信息。可是量子糾纏並不是,你在觀測到其中一個粒子狀態的時候,他們之間的糾纏狀態就解除了,更別提什麼改變狀態讓我改變了。科學家們基於量子糾纏做的量子通信主要是看中了這裡面的絕對安全性,這個過程還需要傳統通信方式加以輔助(通信方必須通過傳統的通信方式將他們測量的一些信息告訴接受方,接受方才能根據量子理論對信息進行還原),所以,他們整體是無法超光速傳遞信息的。

量子通信是個不準確的名字

很多人會理所當然的那樣想,很多是被這個名字誤導了的。量子通信,通信通信嘛,那肯定就是利用量子原理傳遞信息了,但是不對,現在所謂的的量子通信,其實都是用來做量子加密保密的。量子通信雖然無法超光速通信,但是它可以讓通信在原理上實現絕密,這一點對於國家安全非常重要。

傳統的通信無論怎麼樣都避免不了被人竊聽,被竊聽不是最關鍵的,最關鍵的是別人竊聽了你還不知道。但是量子有奇怪的特性啊,有任何人對他進行了觀測,它的狀態就會改變,所以一有人監聽我就立馬能知道。

使用量子糾纏原理實現通信絕密的是E91協議,其實還有一種非常常用的叫 BB84協議,它是利用單個光子的偏振實現通信,利用單個光子的不可複製性保證其安全。

總結

所以,量子通信其實是量子加密,他們在通信的過程中還是需要建光纜光纖這些東西,真正的信息依然是通過傳統的方式傳遞出去的,而這是不可能超光速的。

許多小編自己不太懂,在寫量子通信文章的時候還要專門配一副星際迷航的瞬間移動的圖,這都是誤導大眾不負責任的行為。不過有時候想想也覺得可以理解,因為要理解量子通信太困難了,一般的科技小編不可能有這麼高的科學素養,尤其是在量子領域。

所以,別在幻想什麼通過量子瞬間移動瞬間超星系通話了,這是不可能的。

我是長尾科技,一個致力於科普相對論、量子力學、計算機、數學,讓高深的科學理論通俗易懂起來,讓科學可愛起來的科技媒體。想了解更多相對論、量子力學的知識,關注微信公眾號長尾科技,回復「相對論」或「量子力學」即可,有問題可以回復「【提問】+你的問題」,期待你的到來~


利用激光傳遞,利用量子糾纏傳送實現超光速和超空間的量子通信,雖然現在不可能,不過很快就可以在理論上定義,如果傳遞過程的量子坍縮的話其結果就是隨機的。傳出去的信號是不受控制的。所以最終另一方收到的是一團亂碼。


打個比方,有紅黑兩個球,分別放在兩個一樣的盒子里,打亂順序,兩個人一人拿一個盒子,兩個人並不知道自己盒子裡面的球是什麼顏色,一個人在水星,另一個人在冥王星,兩個人在約定好的時間同時打開盒子,誰的球是黑色的誰就得自殺,這樣兩個人立即知道對方盒子里的球的是什麼顏色,拿紅球的人立即知道對方要死,他們兩個人之間的信息傳遞所花費的時間為零。所以說量子通訊超過光速,就會讓你感覺像」預測」的一樣!


兩個量子的糾纏原理和只作光速運動的粒子到達的距離都在圖中文字里。


量子通訊無法實現即時通訊,原因在於量子有個經典傳遞過程。

量子通訊的過程是,首先製備一定數量的糾纏量子,然後把其中一部分量子發射出去,這個過程一般稱為密鑰分發。為防止糾纏量子在發射途中失真,可能用到量子糾纏信息中繼站,複製糾纏量子繼續發射。這部分基礎量子到達接收站後,通過接收設備翻譯成可讀信息。這裡面的量子學原理是,發射站可能預先並不知道糾纏量子的狀態,但是接收站測量收到的量子,便能即時知道發射站的量子信息。由上可見,量子糾纏的即時互通是以糾纏量子的經典傳輸為前提的,這便註定量子糾纏無法實現全宇宙即時通訊,甚至比傳統通訊還要慢。


其實量子糾纏可以這樣理解為什麼不能用於傳遞信息。 你在北京,你兒子在廣州,你兒媳馬上要生孩子了。12點,孩子生下來了,你瞬間升級當了爺爺??,但你不知道。12點10,你兒子給你打電話報喜,你才知道自己當爺爺了。你升級當爺爺是與你孫子出生同步發生的即時現象,可以說這種關聯性超過了光速,但你不知道,必須用常規通訊手段延時通信。同理,量子糾纏現象也是即時發生的關聯現象,但信息不能超過光速傳播。


推薦閱讀:

TAG:通信 | 科技 | 科學 |