量子的迷思 信息与通讯

      最近论坛里好像对量子通讯很感兴趣，但是讨论的内容里面颇有一些YY，科幻的味道。限于本人水平，也不能讲得明白，于是就去各个论坛科普贴里翻了翻，如链接所示的帖子里，有两位仁兄把这个问题解释得很清楚，为了不愿意爬楼的筒子们，俺就把帖子内的主要讨论整理成文，权作科普了。
     声明：以下内容整理自 ball3p 和 Even_Paladin 的发言，由我整理成文而已，并非原创。
     原帖地址：http://www.lkong.net/forum.php?mod=viewthread&tid=296433&extra=%26page%3D1&page=1
       Even_Paladin引用资料的地址： http://tieba.baidu.com/f?kz=531739455

        1. 如何理解量子纠缠态

       打个比方，你就好象有一副神奇的扑克牌：只要把草花的牌反面，黑桃的同数字牌也会同时自动反面。那么你把草花和黑桃分开，分到中国和美国那么远。我在中国翻开草花2、7、4。在美国的黑桃自动也翻出2、7、4，就传递了信息了。比如说，2、7、4代表“你去死”。其他通讯手段最快也是光速，比如光纤通讯，但我我的扑克牌的信息传递是没有任何延时的，就实现了超光速通讯了。这过程中没有物质超光速传递，但是信息却超光速传递了。

      2. 处于纠缠态的量子如何互相影响 （着急的筒子这段可以不看）

        看到这里，筒子们是不是已经热血沸腾，几乎已经看到潜艇在大洋深处无阻通信的情景了呵呵？ 不要这么着急！先看看两个量子是怎么产生纠缠态的。

        一个母粒子分裂成向相反方向飞开去的两个小粒子A和B，它们理论上具有相反的自旋方向，但在没有观察之前，照量子派的讲法，它们的自旋是处在不确定的叠加态中的，而爱因斯坦则坚持，从分离的那一刻起，A和B的状态就都是确定了的。 我们用一个矢量来表示自旋方向，现在甲乙两人站在遥远的天际两端等候着A和B的分别到来（比方说，甲在人马座的方向，乙在双子座的方向）。在某个按照宇宙标准时间所约好了的关键时刻（比方说，宇宙历767年8月12日9点整，听起来怎么像银英传，呵呵），两人同时对A和B的自旋在同一个方向上作出测量。那么，正如我们已经讨论过的，因为要保持总体上的守恒，这两个自旋必定相反，不论在哪个方向上都是如此。假如甲在某方向上测量到A的自旋为正（＋），那么同时乙在这个方向上得到的B自旋的测量结果必定为负（－）！ 换句话说，A和B——不论它们相隔多么遥远——看起来似乎总是如同约好了那样，当A是＋的时候B必定是－，它们的合作率是100％！在统计学上，拿稍微正式一点的术语来说，（A＋，B－）的相关性（correlation）是100％，也就是1。不管两个粒子的状态在观测前究竟确不确定，最后的结果是肯定的：在同一个方向上要么是（A＋，B－），要么是（A－，B＋），相关性是1。但是，这是在同一方向上，假设在不同方向上呢？假设甲沿着x轴方向测量A的自旋，乙沿着y轴方向测量B，其结果的相关率会是如何呢？

         我们这样来想象EPR实验：有两个罪犯抢劫了银行之后从犯罪现场飞也似地逃命，但他们慌不择路，两个人沿着相反的两个方向逃跑，结果于同一时刻在马路的两头被守候的警察分别抓获。现在我们来录取他们的口供，假设警察甲问罪犯A：“你是带头的那个吗？”A 的回答无非是“是”，或者“不是”。在马路另一头，如果警察乙问罪犯B同一个问题：“你是带头的那个吗？”那么B的回答必定与A相反，因为大哥只能有1个，不是A带着B就 是B带着A。两个警察问的问题在“同一方向”上，知道了A的答案，就等于知道了B的答案 ，他们的答案，100％地不同，协作率100％。在这点上，无论是经典世界还是量子世界都是一样的。

         但是，回到经典世界里，假如两个警察问的是不同角度的问题，比如说问A：“你需要自己聘请律师吗？”问B：“你现在要喝水吗？”这是两个彼此无关的问题（在不同的方向上），A可能回答“要”或者“不要”，但这应该对B怎样回答问题毫无关系，因为B和A理论上已经失去了联系，B不可能按照A的行动来斟酌自己的答案。 不过，这只是经典世界里的罪犯，要是我们有两个“量子罪犯”，那可就不同了。当A决定聘请律师的时候，B就会有更大的可能性想要喝水，反之亦然！看起来，似乎是A和B之间有一种神奇的心灵感应，使得他们即使面临不同的质询时，仍然回答得出奇地一致！量子世界的Bonnie&Clyde，即使他们相隔万里，仍然合作无间，按照哥本哈根解释，这是因为在具体地回答问题前，两个人根本不存在于“实在”之中，而是合为一体，按照波函数弥漫。用薛定谔发明的术语来说，在观测之前，两个人（粒子）处在一种“纠缠”（entanglement）的状态，他们是一个整体，具有一种“不可分离性”（inseparability）！

       3. 量子态真的可以实现超距通讯么？（着急的筒子最起码把蓝字读了吧）

         令人失望的是，答案是否定的，最起码目前来说是这样的。

         虽然以上讨论的过程中，在这个过程中，一个量子的状态可以决定另一个量子的状态，但在观测之前，两个量子的状态都是不可知的。所以美国人照样要打电话到中国来，才知道中国翻开的草花的状态从而推断美国黑桃的状态。信息传递的过程固然是超距作用，但是获得信息的速度依然受光速的限制。

         量子纠缠过程中，态塌缩是超距的，而且有这么一个性质：从任何一个观测者看，态塌缩都是瞬时的。这是狭义相对论所“无法容忍”的。但是，有一个很普遍的误解，就是认为这种超距作用会破坏因果律，从而破坏狭义相对论的基础。

         事实上，这是不可能的。举一个量子信息传递过程中的案例（也可以应用到量子传递中）：X发出一系列纠缠光子对，然后A和B都接受，然后A和B探测这些态的状态。无论A先还是B先，总之A和B测到的结果是共轭的。但是，测量结果本身是随机的【这点很重要】。随后，利用这个随机测量结果，对信息加密——这是经典加密学中梦寐以求的绝对随机密码。然后，A一定要告诉B自己对光子们的测量结果，B才能解密。也就是说，A必须告诉B自己的信息，否则光量子传递是没意义的，因为都是随机代码——如果不是随机的，那量子加密就一点意义都没有了。看到了吧？量子态塌缩只能让别人“知道”态确定下来了，但是这个态是完全随机的，你得到的只是乱码。只有通过经典信息传递过程，才能得到有效的信息传递。所以，量子态塌缩本身不传递信息（最多就是一个确认信号。事实上，这个信号没什么意义，因为你去探测以前你并不知道态已经塌缩了，它不会自己给你发条短消息通知你），它只能对经典信息传递提供一个绝对安全的保护措施而已。

         在量子传递中也是如此。比如，我们把企业号（星际迷航里的企业号）的船长量子分解了，然后把所有量子信息全部发送到某外星球上，然后将这个船长重新组装起来。在这个过程中，你也许会认为是量子超距的，船长是瞬间移动到外星球上的，事实上不是如此。媒介纠缠对（比如光子纠缠对）的一部分和船长的量子信息载体耦合发生态塌缩，但是，具体塌缩到什么态是完全随机的。因而，在外星球上的接收器的态的确塌缩了，但是塌缩到什么态是完全随机的。随后，我们把飞船上塌缩的态信息传递给外星球上，两者比较，才能确定船长的信息是什么这里就好比船长的信息是AB，然后量子随机产生两个随机数Rnd1和Rnd2，在接收器那就得到两个数Rnd1+A和Rnd2+B，这两个值还是随机数，从他们无法得到我们要的A和B。随后，需要知道Rnd1和Rnd2，才能得到A和B。这个过程必须用经典信息传递。

             可见，量子态塌缩只能提供安全性，提供不了超距传递或者瞬间移动。它的超距和瞬移得到的都是随机结果，必须要用经典过程来“解析”这些随机结果，才能得到有意义的确切值。
        4. 信息与通讯之辩

          所谓“信息”，按物理学的观念，信息只不过是被一定方式排列起来的信号序列。

          在社会交际活动中，这个定义还不够：信息还必须有一定的意义，或者说信息必须是‘意义的载体’。”

          通过对纠缠量子的观测，量子“信息”已经即时的传达了。所谓“通讯”，一般指，人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。

          本文报道中的定义，这种信息是要可以被理解的，否则无法被应用。通过对纠缠量子的观测，量子“信息”还无法被解码，因此通讯尚未完成。

          比方说一个外国人用非洲部落语言对你说了一段话，这时候“信息”已经到达，但是“通讯”尚未完成。

       5. 结论
          通过量子可以超光速传递“信息”，但不能超光速“通讯”。

扩展阅读： 量子信息学
http://tieba.baidu.com/f?ct=335675392&tn=baiduPostBrowser&sc=2190625868&z=229332734&pn=0&rn=30&lm=0&word=%CF%E0%B6%D4%C2%DB#2190625868


      最近论坛里好像对量子通讯很感兴趣，但是讨论的内容里面颇有一些YY，科幻的味道。限于本人水平，也不能讲得明白，于是就去各个论坛科普贴里翻了翻，如链接所示的帖子里，有两位仁兄把这个问题解释得很清楚，为了不愿意爬楼的筒子们，俺就把帖子内的主要讨论整理成文，权作科普了。
     声明：以下内容整理自 ball3p 和 Even_Paladin 的发言，由我整理成文而已，并非原创。
     原帖地址：http://www.lkong.net/forum.php?mod=viewthread&tid=296433&extra=%26page%3D1&page=1
       Even_Paladin引用资料的地址： http://tieba.baidu.com/f?kz=531739455

        1. 如何理解量子纠缠态

       打个比方，你就好象有一副神奇的扑克牌：只要把草花的牌反面，黑桃的同数字牌也会同时自动反面。那么你把草花和黑桃分开，分到中国和美国那么远。我在中国翻开草花2、7、4。在美国的黑桃自动也翻出2、7、4，就传递了信息了。比如说，2、7、4代表“你去死”。其他通讯手段最快也是光速，比如光纤通讯，但我我的扑克牌的信息传递是没有任何延时的，就实现了超光速通讯了。这过程中没有物质超光速传递，但是信息却超光速传递了。

      2. 处于纠缠态的量子如何互相影响 （着急的筒子这段可以不看）

        看到这里，筒子们是不是已经热血沸腾，几乎已经看到潜艇在大洋深处无阻通信的情景了呵呵？ 不要这么着急！先看看两个量子是怎么产生纠缠态的。

        一个母粒子分裂成向相反方向飞开去的两个小粒子A和B，它们理论上具有相反的自旋方向，但在没有观察之前，照量子派的讲法，它们的自旋是处在不确定的叠加态中的，而爱因斯坦则坚持，从分离的那一刻起，A和B的状态就都是确定了的。 我们用一个矢量来表示自旋方向，现在甲乙两人站在遥远的天际两端等候着A和B的分别到来（比方说，甲在人马座的方向，乙在双子座的方向）。在某个按照宇宙标准时间所约好了的关键时刻（比方说，宇宙历767年8月12日9点整，听起来怎么像银英传，呵呵），两人同时对A和B的自旋在同一个方向上作出测量。那么，正如我们已经讨论过的，因为要保持总体上的守恒，这两个自旋必定相反，不论在哪个方向上都是如此。假如甲在某方向上测量到A的自旋为正（＋），那么同时乙在这个方向上得到的B自旋的测量结果必定为负（－）！ 换句话说，A和B——不论它们相隔多么遥远——看起来似乎总是如同约好了那样，当A是＋的时候B必定是－，它们的合作率是100％！在统计学上，拿稍微正式一点的术语来说，（A＋，B－）的相关性（correlation）是100％，也就是1。不管两个粒子的状态在观测前究竟确不确定，最后的结果是肯定的：在同一个方向上要么是（A＋，B－），要么是（A－，B＋），相关性是1。但是，这是在同一方向上，假设在不同方向上呢？假设甲沿着x轴方向测量A的自旋，乙沿着y轴方向测量B，其结果的相关率会是如何呢？

         我们这样来想象EPR实验：有两个罪犯抢劫了银行之后从犯罪现场飞也似地逃命，但他们慌不择路，两个人沿着相反的两个方向逃跑，结果于同一时刻在马路的两头被守候的警察分别抓获。现在我们来录取他们的口供，假设警察甲问罪犯A：“你是带头的那个吗？”A 的回答无非是“是”，或者“不是”。在马路另一头，如果警察乙问罪犯B同一个问题：“你是带头的那个吗？”那么B的回答必定与A相反，因为大哥只能有1个，不是A带着B就 是B带着A。两个警察问的问题在“同一方向”上，知道了A的答案，就等于知道了B的答案 ，他们的答案，100％地不同，协作率100％。在这点上，无论是经典世界还是量子世界都是一样的。

         但是，回到经典世界里，假如两个警察问的是不同角度的问题，比如说问A：“你需要自己聘请律师吗？”问B：“你现在要喝水吗？”这是两个彼此无关的问题（在不同的方向上），A可能回答“要”或者“不要”，但这应该对B怎样回答问题毫无关系，因为B和A理论上已经失去了联系，B不可能按照A的行动来斟酌自己的答案。 不过，这只是经典世界里的罪犯，要是我们有两个“量子罪犯”，那可就不同了。当A决定聘请律师的时候，B就会有更大的可能性想要喝水，反之亦然！看起来，似乎是A和B之间有一种神奇的心灵感应，使得他们即使面临不同的质询时，仍然回答得出奇地一致！量子世界的Bonnie&Clyde，即使他们相隔万里，仍然合作无间，按照哥本哈根解释，这是因为在具体地回答问题前，两个人根本不存在于“实在”之中，而是合为一体，按照波函数弥漫。用薛定谔发明的术语来说，在观测之前，两个人（粒子）处在一种“纠缠”（entanglement）的状态，他们是一个整体，具有一种“不可分离性”（inseparability）！

       3. 量子态真的可以实现超距通讯么？（着急的筒子最起码把蓝字读了吧）

         令人失望的是，答案是否定的，最起码目前来说是这样的。

         虽然以上讨论的过程中，在这个过程中，一个量子的状态可以决定另一个量子的状态，但在观测之前，两个量子的状态都是不可知的。所以美国人照样要打电话到中国来，才知道中国翻开的草花的状态从而推断美国黑桃的状态。信息传递的过程固然是超距作用，但是获得信息的速度依然受光速的限制。

         量子纠缠过程中，态塌缩是超距的，而且有这么一个性质：从任何一个观测者看，态塌缩都是瞬时的。这是狭义相对论所“无法容忍”的。但是，有一个很普遍的误解，就是认为这种超距作用会破坏因果律，从而破坏狭义相对论的基础。

         事实上，这是不可能的。举一个量子信息传递过程中的案例（也可以应用到量子传递中）：X发出一系列纠缠光子对，然后A和B都接受，然后A和B探测这些态的状态。无论A先还是B先，总之A和B测到的结果是共轭的。但是，测量结果本身是随机的【这点很重要】。随后，利用这个随机测量结果，对信息加密——这是经典加密学中梦寐以求的绝对随机密码。然后，A一定要告诉B自己对光子们的测量结果，B才能解密。也就是说，A必须告诉B自己的信息，否则光量子传递是没意义的，因为都是随机代码——如果不是随机的，那量子加密就一点意义都没有了。看到了吧？量子态塌缩只能让别人“知道”态确定下来了，但是这个态是完全随机的，你得到的只是乱码。只有通过经典信息传递过程，才能得到有效的信息传递。所以，量子态塌缩本身不传递信息（最多就是一个确认信号。事实上，这个信号没什么意义，因为你去探测以前你并不知道态已经塌缩了，它不会自己给你发条短消息通知你），它只能对经典信息传递提供一个绝对安全的保护措施而已。

         在量子传递中也是如此。比如，我们把企业号（星际迷航里的企业号）的船长量子分解了，然后把所有量子信息全部发送到某外星球上，然后将这个船长重新组装起来。在这个过程中，你也许会认为是量子超距的，船长是瞬间移动到外星球上的，事实上不是如此。媒介纠缠对（比如光子纠缠对）的一部分和船长的量子信息载体耦合发生态塌缩，但是，具体塌缩到什么态是完全随机的。因而，在外星球上的接收器的态的确塌缩了，但是塌缩到什么态是完全随机的。随后，我们把飞船上塌缩的态信息传递给外星球上，两者比较，才能确定船长的信息是什么这里就好比船长的信息是AB，然后量子随机产生两个随机数Rnd1和Rnd2，在接收器那就得到两个数Rnd1+A和Rnd2+B，这两个值还是随机数，从他们无法得到我们要的A和B。随后，需要知道Rnd1和Rnd2，才能得到A和B。这个过程必须用经典信息传递。

             可见，量子态塌缩只能提供安全性，提供不了超距传递或者瞬间移动。它的超距和瞬移得到的都是随机结果，必须要用经典过程来“解析”这些随机结果，才能得到有意义的确切值。
        4. 信息与通讯之辩

          所谓“信息”，按物理学的观念，信息只不过是被一定方式排列起来的信号序列。

          在社会交际活动中，这个定义还不够：信息还必须有一定的意义，或者说信息必须是‘意义的载体’。”

          通过对纠缠量子的观测，量子“信息”已经即时的传达了。所谓“通讯”，一般指，人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。

          本文报道中的定义，这种信息是要可以被理解的，否则无法被应用。通过对纠缠量子的观测，量子“信息”还无法被解码，因此通讯尚未完成。

          比方说一个外国人用非洲部落语言对你说了一段话，这时候“信息”已经到达，但是“通讯”尚未完成。

       5. 结论
          通过量子可以超光速传递“信息”，但不能超光速“通讯”。

扩展阅读： 量子信息学
http://tieba.baidu.com/f?ct=335675392&tn=baiduPostBrowser&sc=2190625868&z=229332734&pn=0&rn=30&lm=0&word=%CF%E0%B6%D4%C2%DB#2190625868