事实如此浪漫

隐形传态的麻烦

我最喜欢的电影场景之一银河探索-一封讽刺的情书《星际迷航》和它的狂热粉丝,是当杰森,一个虚构的电视剧在电影中的演员,最终被困在一个真正的外星面对一个可怕的“猪蜥蜴”。他的船员回到船上后,只能使用“数字传送器”来救他——尽管它还没有经过测试(也就是说成功了)。在试图把杰森传送上船之前,他们决定先用传送带试试别的东西,这对猪蜥蜴来说不太顺利:

到底是哪里出了错?这要归功于量子物理学的复杂性。

每当geekerati聚集,一个流行的讨论话题集中在人们对超级大国的偏好上。你想穿过墙壁吗?有X光视力还是超强度?你渴望一点心灵感应吗?对我来说,从来没有任何问题:我会选择远程传送。摆脱交通堵塞、机场安检线和拥挤的人群而立即被运送到目的地的前景令人激动。

传送通常包括在一个点对对象进行非物质化,并将其精确原子配置的详细信息发送到另一个位置,然后可以在该位置使用该信息构建精确的副本。从某种意义上说,我们一直在使用经典力学在宏观尺度上传送信息,就像普通的传真机一样。唉,一旦我们进入量子层次,事情就变得更复杂了。

很长一段时间以来,物理学家们认为量子隐形传态是不可能的。为了传送一个物体,比如我们的猪蜥蜴,我们必须扫描它以获得关于其原子结构的精确信息。但是,扫描的对象越精确,扫描过程中受到的干扰就越大。如果不以某种方式改变一个粒子,我们就无法测量它,更不用说构成一个全尺寸猪蜥蜴的每一个亚原子粒子了。那么,我们怎样才能提取出我们需要的所有信息,通过远程传送在另一个位置创建一个精确的副本呢?

1993年,IBM物理学家查尔斯·贝内特和他的同事找到了一种方法,利用量子纠缠他们的方法包括三个粒子:被传送的粒子(a)和一对纠缠的其他粒子(B和C)。首先,B和C纠缠在一起并被发送到不同的位置。然后,B与A交互,A的信息被传输到B。由于B仍然与C纠缠在一起,传输到B的任何信息也会自动传输到C,而无需跨物理时空传输该信息。在新的位置,C基本上变成了A。

啊,但有一个陷阱:在这个过程中,必须销毁原始对象。当B扫描A时,这种交互作用会改变后者的属性。A不再以与以前完全相同的状态存在。C现在是唯一处于原始状态的粒子。我会让谢尔顿·库珀离开《生活大爆炸》解释:

1997年,奥地利物理学家在桌面上“远距离传输”了一个光子(技术上讲,是关于光子的信息),在另一边复制了一个完全相同的副本。到2003年,这项技术已经得到了充分的发展,瑞士日内瓦大学的科学家们成功地将光子通过光纤传输了1.2英里。(目前的距离纪录是去年创下的89英里。)上个月,丹麦物理学家成功了在两团气体原子之间传送信息通过激光。

这对于像量子密码学这样的事情来说是很好的,量子密码学使用纠缠光子作为在相距遥远的双方之间进行通信的安全方法。不仅没有正在传输的“信息”的可靠拷贝,因此它们没有被拦截的机会,而且如果有人试图窃听数据流,它会改变光子的量子态,提醒双方他们的通信信道已被泄露

2001年,丹麦的研究人员成功地将一对气体云缠结在一起,这对气体云中每个气体云含有大约一万亿个原子,它们之间的距离只有几毫米。这很棘手,因为任何纠缠只会持续到没有其他东西与系统交互的时候。如果有哪怕是最轻微的相互作用——例如,与空气中的单个氮分子发生一次碰撞——系统就会“退结”,而纠缠态就会消失。这就是为什么量子隐形传态系统必须煞费苦心地隔离它们的纠缠对。

事实证明:人体平均含有大约10个28原子,或者说超过一万亿。要使两个粒子纠缠在一起需要很大的努力。由于干扰,要让几个以上的原子一起振动、完全同步是极其困难的。在现实世界中,物体不断地与环境相互作用,退相干瞬间发生。如果我试图通过量子纠缠传送关于我身体中每个原子的信息,退相干会在瞬间扰乱一切。我很幸运能和猪蜥蜴一样好。

这就是为什么我每天早上传送到巴黎吃新鲜牛角面包的梦想可能永远不会实现的原因。


Jennifer Ouellette是一位科学作家,著有微积分的日记和即将到来的我,我自己和为什么:寻找自我的科学.在推特上关注她@JenLucPiquant


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