一次搞懂 量子通讯

宇宙的洪荒之力

一百多年前,量子力学的祖师爷波耳说:「如果你没有被量子力学吓到,那你肯定不懂量子力学。」
爱因斯坦:「我思考量子力学的时间百倍於广义相对论,但依然不明白。」
造出第一颗原子弹的费曼更直接:「我可以有把握地说,没有人懂量子力学!」
学了一百多年的量子力学,我们今天懂了吗?
「墨子号」首席科学家、中国量子通讯第一人潘建伟曾说:「只要我搞清楚为什麽会有量子纠缠,马上就可以死。」
朝闻道,夕死可矣。一代又一代科学家,就是以纯粹的好奇心,为科学「死去活来」。
接着潘院士说:「但现在不能马上搞清楚,所以我又希望活得很久……」
考虑到潘院士今年才五十岁,这句话似乎暗示着,我们五十年後都不一定能搞懂量子了。
这些专家说的「不懂」,可不是小学生学不会四则运算的那种「不懂」。我们已经搞清楚微观世界的所有基本规则,建立强大的数学模型,算出来的理论预测和实验结果分毫不差。但我们只是拿到使用说明书的孩子,对其意义和目的一无所知。
不过,科学家在应用量子理论的同时,从未放弃对本质的探索。现在,愈来愈多线索显示,量子纠缠的背後,可能隐藏着一个巨大的秘密。
二○一三年,弦论达人胡安.马尔达西那(Juan Maldacena)和理论物理学家李奥纳特.色斯金(Leonard Susskind)发现,量子纠缠和虫洞在数学模型上非常相似。他们猜想,量子纠缠也许就是微型虫洞,除了大小悬殊外,没有本质区别,这个猜想被称为ER=EPR。
ER 是Einstein-Rosen 的缩写,代表爱因斯坦-罗森桥,一种不可穿越的虫洞;EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)是爱因斯坦-波多尔斯基-罗森吊诡,代表量子纠缠。量子纠缠和虫洞具有两个相同特性:
一、虽然有暂态连接,但无法用来传送资讯。
二、不能透过定域操作和经典通讯创造。
如果「ER=EPR」的猜想正确,我们可以先制造N对纠缠粒子,把它们一对对分开,分别运到相隔万里的地方。当它们分别坍缩成黑洞A和B,组成这两个黑洞的所有粒子之间仍保持着纠缠─ 这就是虫洞,两个黑洞间大号的量子纠缠。反之,微观粒子的量子纠缠就是小号的虫洞。量子纠缠最神秘的现象「超距作用」,其实没有超越光速,而是像虫洞穿越时空。这就是孪生粒子能够异地千里,同呼吸、共命运的真正原因。

虫洞黑洞A黑洞B粒子A粒子B量子纠缠二○一○年,马克.范.拉姆桑克(Mark van Raamsdonk)在其独立研究中,发现更为惊人的线索。
拉姆桑克建立一个三维宇宙模型,与真实宇宙类似,这个模型宇宙内部的粒子同时存在量子纠缠和万有引力。他在数学上证明,一旦去掉模型中的量子纠缠,时间和空间就会被打乱成碎片。拉姆桑克意识到,正是无处不在的量子纠缠,像建筑物的钢筋结构一样,把本应支离破碎的时空编织成整体。他说:「我当时觉得理解此前从未有人解释过基本问题的某些实质─时空的本质是什麽。」
有进一步实验证据前,我们无法评价这些纯粹基於理论的猜想到底可不可靠。但令理论物理学家心跳加速的是,各条独立的线索似乎指向同一个宝藏。找到它,发现量子纠缠真正的秘密,就有可能理解在开天辟地、宇宙洪荒的大爆炸时刻,宇宙是怎样被建造出来的。正如惠勒所言:「未来的物理学应当来自我们对量子理论的更深入理解。」为了传说中的One Piece(《海贼王》的一种宝藏),身怀绝技的人们纷纷踏上量子时代的大航海之路。
有人说:哲学家只是用不同方式解释世界,而问题在於改变世界。其实,科学和文明的高度,取决於我们对世界理解的深度。
透过认识和理解世界,猿人把手中的石块换成自然规律,拥有改天换日的力量。当一群不食人间烟火的理工男在实验室热烈地争论原子模型时,谁能想到三十年後广岛在火海中的哭喊?
自从一九○○年普朗克发明「quantum」这个词至今,量子终於从哲学辩论会的题材,变成魔法般的黑科技。基於量子纠缠,可以造出比现在快一亿倍的量子电脑;而超距作用和贝尔不等式,则把量子纠缠变成加密通讯领域的终极武器。

改变世界的时刻,真的到了。

书名│《一次搞懂量子通讯》
作者│神们自己
出版社│时报出版
出版日期│ 2021 年9 月

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