我明白,你實際想問的是“量子通信能不能超光速”。答案可能會讓你失望了:量子通信不能超光速。
為什么是這樣?我有一個簡略的回答和一個詳細的回答。
簡略的回答是:狹義相對論已經明確說了,信息的傳輸不能超光速(有一些事情可以超光速,但它們不傳輸信息)。量子通信完全是基于已知的物理學原理設計出來的,每一個步驟都在量子力學和狹義相對論的預言范圍之內,所以怎么可能違反狹義相對論呢?你應該把量子通信理解成一個在已有理論框架內的充滿創造力的工程作品,好比長城、趙州橋、高鐵,而不是理解成一個顛覆已有理論框架的科學革命。
詳細的回答如下。
量子力學是描述微觀世界物理規律的基本理論。它解答了很多基本問題,例如:為什么原子能夠穩定存在,繞著原子核運動的電子不會落到原子核上去?為什么原子會組合成分子?為什么有些物質能導電,有些物質不導電,有些物質是半導體,還有些物質是超導體?從晶體管到激光器,現代社會的每一樣科技成就,都離不開量子力學。
量子信息是量子力學與信息科學結合產生的交叉科學,目的是利用量子力學實現經典信息科學中實現不了的功能,例如永遠不會被破解的保密方法(專業名稱叫“量子密碼術”或者“量子保密通信”或者“量子密鑰分發”)、科幻電影中的“傳送術”(是的,傳送術在原理上是可以實現的,它的專業名稱叫做“量子隱形傳態”)。
《星際迷航》中的傳送術
正如經典的信息科學包括通信和計算兩大領域,量子信息也可以分為兩大領域:量子通信和量子計算。
量子通信的內容,包括量子密鑰分發(又稱為“量子密碼術”或“量子保密通信”)和量子隱形傳態(即傳送術)以及“超密編碼”等等。在嚴格的科學意義上,量子密鑰分發并不等于量子通信,而是它的一部分。但是,量子密鑰分發發展得最快,已經接近產業化了,例如中國的若干金融機構在試用量子通信儀器來傳輸核心數據。而量子隱形傳態以及整個量子計算領域,都還處于實驗室演示階段,離實用非常遠。因此,媒體上報道的量子通信,在大多數情況下指的就是量子密鑰分發。
下面我來解釋一下,量子密鑰分發和量子隱形傳態各自是什么,為什么它們都不能超光速。
先來看量子密鑰分發。
要理解量子密鑰分發,首先要明白什么是“密鑰”。其實這個詞很容易理解,它就是日常語言中的“密碼本”,《紅燈記》、《潛伏》等諜戰片中無數情報人員舍死忘生爭奪的那個東西。說得正規一點,密鑰就是從明文到密文的變換參數。
紅燈記
發送方(以下稱為A)和接收方(以下稱為B)如果都有密鑰,而密鑰滿足三個條件(一通訊,密鑰是一串隨機的字符串;二,密鑰的長度跟明文一樣,甚至更長;三,每傳送一次密文就更換密鑰,即“一次一密”),那么雙方之間的通信就是“絕對安全”的。這里“絕對安全”是一個數學用語,它的意思是:敵人即使截獲了密文,也無法破譯出明文,他能做的最多也只是瞎猜而已。
這聽起來好像已經解決了保密通信問題?其實沒有。真正的困難在于,怎么把密鑰從一方傳到另一方?現實生活當中,需要第三方的信使來傳遞,而信使可能被抓(如《紅燈記》中的李玉和)或者叛變(如《紅巖》中的甫志高),這麻煩就大了。最好是不通過信使,AB雙方直接見面分享密鑰。但是如果雙方可以輕易見面,還要通信干什么?!
量子保密通信就是為了解決這個問題而提出的。它做的其實只有一件事情:不經過信使,通信雙方直接共享密鑰。
怪哉,不通過信使怎么共享密鑰?關鍵在于,這里的密鑰并不是預先就有的,一方拿在手里想交給另一方。在初始狀態中,密鑰并不存在!
量子密鑰是在雙方建立通信之后,通過雙方的一系列操作產生出來的。利用量子力學的某些特性(“疊加原理”和“測量結果的隨機性”),可以使雙方同時在各自手里產生一串隨機數,而且不用看對方的數據,就能確定對方的隨機數序列和自己的隨機數序列是完全相同的。這串隨機數序列就被用作密鑰。
量子密鑰的產生過程,同時就是分發過程,——這就是量子保密通信不需要信使的原因。
雙方都有了密鑰之后,剩下的事情就跟經典的通信完全相同了:A把明文用密鑰編碼成密文,然后用任意的通信方式發給B。“任意的”通信方式的意思就是“怎么都行”:可以用電話,可以用電報,可以用電子郵件,甚至用平信都行。量子保密通信的特別之處,只是讓雙方不經過信使直接分享密鑰,僅此而已。這就是為什么它的專業名稱叫做量子密鑰分發。
現在我們可以明白,量子保密通信的過程分為兩步:第一步是量子密鑰分發,第二步是密文的通信。第二步跟常規的通信完全一樣,所以不會超光速。既然如此,整個過程自然也就不會超光速通訊,無論第一步有多快。實際上,第一步也不會超光速,因為它的實際操作一般就是發送和接收單個光子,速度就是光速,不過這個具體過程我們就不在這里展開講了。
再來看量子隱形傳態。
什么是量子隱形傳態?這是一種在1993年提出的方案,把粒子A的未知的量子態傳輸給遠處的另一個粒子B,讓B粒子的狀態變成A粒子最初的狀態。科幻電影里經常出現的傳送術,把人biu地一聲就傳到另一個地方,原型就是量子隱形傳態。
請注意,隱形傳態傳的是狀態而不是粒子,A、B的空間位置都沒有變化,并不是把A粒子傳到遠處。好比A處有一輛汽車或一個人,不是把這輛汽車或這個人搬到B處,而是把B處本來就有的一堆汽車零件或原子組裝成這輛汽車或這個人。
有人要問了:那豈不得到了相同的兩輛汽車?兩個人?!哪個是真正的自己?!在為倫理問題詩興大發前,一句話就可以消滅這個問題:不會出現相同的兩個人。大自然早有安排,杜絕了這種可能性。在隱形傳態中,當B粒子獲得A粒子最初的狀態時,A粒子的狀態必然改變。任何時刻都只能有一個粒子處于目標狀態,所以只是狀態的移動,而不是復制。一定要說復制的話,也是一種破壞性的復制。好比武俠小說中前輩把功力傳給主角,傳完前輩就沒有功力了,而不是出現兩個高手。在宏觀世界復制一本書或一個電腦文件是很容易的,在量子力學中卻不能復制一個粒子的狀態,這是量子與經典的一個本質區別。
很多人聽說量子力學中狀態的變化是瞬時的,無論兩個粒子相距多遠,于是認為隱形傳態可以biu地一聲把人傳到任意遠的地方,超過光速,推翻相對論。很遺憾,這個理解又是錯誤的。量子力學中狀態的變化確實是瞬時的,但是隱形傳態的方案中有一步是把一個重要的信息(可以理解為一個密碼)從A處傳到B處,利用這個信息才能把B粒子的狀態變成目標狀態。這個信息需要用經典信道(例如打電話、發郵件)傳送,速度不能超過光速,所以整個隱形傳態的速度也不能超過光速。
許多人以為隱形傳態是先掃描出A處的物或人的狀態,再在B處組裝一個相同的物或人。非也非也。如果要先知道目標狀態,那還有什么意思?隱形傳態是在不知道A粒子的狀態的情況下,把B粒子變成這個狀態!就像送快遞,不知道送的是什么東西,但保證原原本本地送到。
總而言之,量子隱形傳態是以不高于光速的速度、破壞性地把一個粒子的未知狀態傳輸給另一個粒子。打個比方,用顏色表示狀態,A粒子最初是紅色的,通過隱形傳態,我們讓遠處的B粒子變成紅色,而A粒子同時變成了綠色。但是我們完全不需要知道A最初是什么顏色,無論A是什么顏色,這套方法都可以保證B變成A最初的顏色,同時A的顏色改變。
結論:無論是通過量子密鑰分發還是量子隱形傳態來傳輸信息,都不能超光速。