平常喜歡在聊天群跟網友聊天,有時聊的內容還挺不錯的,特別是一些類似問答形式的討論,因為群友的一些疑問其實也代表的很多網友的疑問,所以我準備把一些比較有科普價值的聊天內容以Q&A(問與答)的形式發出來(強勢偷懶^_~)。今天發的一段是關於量子糾纏為何不能直接傳遞資訊的內容。
注:由於聊天語言比較簡潔,有一些省略的詞語和標點符號我會補充完整,另外文末會對聊天內容沒有提及的一些知識進行補充解讀。
量子資訊問與答
網友T:我突然想知道隱形加密態量子傳輸不傳遞資訊是怎麼實現的?
我:從頭到尾並不知道糾纏粒子的完整狀態。(我這裡可能理解錯了,他問的應該是量子金鑰分發,但他一開始就說隱形我預設理解成量子隱形傳態了)
網友T:當然可以知道。
我:誰告訴你知道的?
網友T:可間接測量,只不過沒傳遞資訊而已。
我:量子隱形傳態沒有測量糾纏粒子的具體狀態。(量子隱形傳態是對糾纏粒子A和準備傳送的粒子進行聯合測量,然後根據結果對糾纏粒子B進行操作,從而把糾纏粒子B還原成要傳送的粒子,整個過程不需要知道糾纏粒子的具體狀態,我以為他在說量子隱形傳態……)
網友T:那整個系統的物理性質改變,那不就是傳播資訊?
我:你在說什麼?什麼改變?怎麼傳資訊?
網友T:量子糾纏是引起系統的同步改變,但是具體粒子還在疊加態。
我:我就說你不懂量子糾纏,量子糾纏並不能改變對方,是同時確定,不是A可以改變B。
網友T:那他怎麼傳遞資訊?
我:誰跟你說可以傳資訊的,你打他。
網友T:那量子通訊是什麼東西?
我:量子加密通訊,做金鑰的。
網友T:原來你至始至終沒明白我問什麼……
我:測量一個狀態可以知道另一個的狀態,所以可以用來做密碼。(實際上一般的量子加密是不需要用量子糾纏的,文末解釋)
網友T:測量一個知道另一個狀態。。。自相矛盾嗎你不是…
我:怎麼矛盾?
網友T:你測量a是1,b可能是2 要不然你不傳遞資訊?
我:怎麼傳? 你又不能控制測出來的是什麼,怎麼傳資訊?(也就是說你可以透過測量知道對方測出什麼狀態,但無法控制對方測出什麼狀態)
網友T:搜嘎,我懂了。
我:比如你想傳112233,你用量子糾纏怎麼傳過去?
網友S:那測量出的自旋算量子資訊嗎?(另一位網友)
我:算。但測量前狀態是未知的。
網友S:那我記得你以前說不能傳遞量子資訊……
我:現在也說不能傳啊。
網友T:我懂他的意思了,以前我一直卡在這。(卡在為何可以知道對方狀態卻不能傳遞資訊)
我:傳資訊的條件是你要能操縱測量結果,但量子糾纏不能,一操作就不糾纏了。(實際上是測量後,原糾纏對裡的粒子A就無法決定粒子B的狀態了,無論在測量後對粒子A進行任何操作,都不會改變粒子B的狀態。)
補充解讀:
量子糾纏是一個量子系統中(包括兩個或多個微觀粒子)的量子態存在關聯,也就是其中的所有粒子的量子態(微觀粒子的狀態)存在相關性。比如在最簡單的糾纏光子隊中,兩者的狀態會互為相反或完全相同,因此你只要測量一個的狀態就能同時知道另一個的狀態,這種相關性是由守恆定律決定的。
用量子力學的話說就是存在量子糾纏的粒子共有一個波函式(微觀系統的狀態函式),只有在對系統的任意部分(任意一個粒子)進行測量時,整個系統的波函式坍縮,才會成為多個單獨的粒子。
那為什麼量子糾纏可以超光速呢?其實波函式坍縮理論上是無關時間也無關距離的,波函式分佈在全空間,無論這個波函式是存在量子糾纏的量子系統,還是單個的粒子,它的坍縮都是瞬時完成的。為什麼量子糾纏可以超光速的答案就是:波函式坍縮不需要時間。波函式既然是分佈在全空間,那麼假如糾纏的粒子需要通知另一個粒子一個坍縮到什麼狀態,那麼單個粒子的全空間坍縮不就也要通知其餘所有可能位置的自己不要出現嗎?這是很荒謬的。
量子加密(量子金鑰分發)為什麼不是透過量子糾纏?
量子金鑰是透過量子態來實現隨機生成量子金鑰的,目前量子加密的加密協議有三種,分別是BB84協議、B92協議和E91協議,其中只有E91協議是需要用到量子糾纏的,其餘兩種協議都僅需要單光子量子態。其中:
BB84協議用的是單光子的偏振態,我國的加密通訊就是用它;(它的加密原理需要一篇長文才能講清楚……)
B92是BB84的簡化版,把BB84的四種偏振精簡為兩種,但由於誤位元速率較高,使它的成碼效率也同時減半,安全性也比BB84低,對通訊線路的要求更高;
E91協議用的才是量子糾纏,但由於它跟採用單光子的BB84協議是等效的,糾纏光子卻比單光子更難製備,因此傻子才用它……
我是星宇飄零,關^_^注我,和你分享更多有趣科學知識。
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