量子纠缠与隐形传送的虚拟试验及几个粗浅问题探讨

鲍海飞 2016-8-18

   对于量子纠缠与隐形传送，我是个外行，但是个爱好者。最重要的是，至今有关量子纠缠与信息传送其原理至今依然似乎还是个谜，大家一直在争论不休。一方面是很深奥的原理解释，一方面是形象化的阐述，但都不是让人看得太明白，我心中也是越发好奇。昨天读了张天才老师的《量子隐形传送（Quantum Teleportation）》（http://blog.sciencenet.cn/blog-871282-996759.html），给我带来了很大的启发，引起了我一些思考，尤其是其中利用鞋子所做的比喻更是生动。这里也就原文抄录一段，供参考理解所谓的量子纠缠模式。

“还是以上面的鞋为例，Bennett的思想是这样：假设有三个人，张三、李四和王五，都住在北京。张三有一只鞋，具体的样式、颜色和尺码都不太清楚。李四有一双完整的“EPR”鞋，一左一右。李四把他的这双鞋中的任意一只(比如左鞋)交给张三，把剩下的另一只(右鞋)交给王五。王五带着那只右鞋出差走了。张三觉得李四给他的那只鞋跟自己的不能配成一双，干脆把他自己的鞋和李四给他的那只(左)鞋一块放进一个炉子里烧了。他看着炉火中升起的烟雾和红红的火苗，心里很不是滋味。张三把这件事打手机告诉了王五(我们也不知道王五出差到哪里去了)，他在电话中详细告诉了他围坐在炉子边，看到从炉子中升起的黑烟和熊熊的火焰的场景。王五根据张三的描述，成功地把那只李四给他的(右)鞋，变成了张三自己开始的那只烧掉的鞋。第二天当他带着那只他变魔术般获得的鞋回到北京时，张三简直惊呆了：他发现被他烧掉的那只自己的鞋又回来了，跟原来那只一模一样，包括颜色、样式、尺码等等，甚至鞋跟上还带着当初他扔进火炉时粘着的北方的泥土和细菌！

   上述描写当然只是对这一有趣的量子现象所作的一个类比。科学家们发现，要在宏观上产生EPR量子纠缠态非常困难。因此上述用鞋子做的假想实验是很难真正实现的。然而如果换成简单、微小得多的光子、原子等，则可望在一定程度上实现。”

原文很精彩，又看了几篇类似的文章，越发觉得涉及到‘量子’现象等有几个粗浅的值得思考和玩味的问题。一些文章，其中的解释虽然有益于理解，但其内在关键问题，比如基本原理的阐释，却被忽略了，依然不是很清晰明了。鉴于有限的量子力学知识，提出个人的一些初步想法和看法。

1. 纠缠态是如何纠缠的。

   一对原子或电子在形式上是如何眉来眼去纠缠在一起的。假定一个原子中有两个电子，当其中的一个电子自旋发生变化时，另外一个电子为了保持‘自旋中性’（假设类似电中性）从而其自旋也发生了变化。这是否就应该看作是电子的一种纠缠方式？所谓夫唱妇随，形影不离，而不是各行其是，谁也不管谁。

   其实，物理所要做的事情，终究是要问个原因结果来龙去脉的。因此，对一个对象的研究，如一个原子，就是要对其进行尽可能地把所有物理量、状态的完备集合进行描述，同时，要清楚这些状态之间是如何相互作用的。此外，就是如何构造在外界的作用下，各个状态是如何演化，也就是如何响应的问题。

   另外，双粒子能够发生纠缠，单粒子又能否自身纠缠呢？而又是哪些物理量、物理态发生纠缠呢？下面第四个问题或许能够初步回答这个问题。

2. 纠缠态的定域问题。

   光子、原子的纠缠态在多大的空间尺度能够存在。从目前的试验看，利用该方法所进行的信息传送试验已经验证有一百多公里了。但理论上到底有多大空间呢？如果位于一个原子中的两个电子，在其‘电子云’作用范围内，比如原子半径内，发生类似自旋的变化，那么，当这两个电子在空间上距离越来越远时，其相互作用的势力（纠缠态）会发生什么变化？现在大部分文章所描述的都是，即使距离很遥远，依然存在纠缠。难道是应了：两情若是久长时，又岂在微微纳纳。

3. 纠缠态是一种以如何的‘力’或者‘场’进行相互作用的。

   如果像上述所描述的，假定在一个原子内的两个电子，那么两个电子状态的变化，是原子中的原子核和两个电子三体相互作用的结果，并且在一定范围内，纠缠的力更要受到中心原子核的控制和影响。故而涉及到纠缠态的作用问题及定域问题。悟空的筋斗云纵然是一下子便十万八千里，但就是飞不出如来佛的手心。纠缠的太极力、或者说是作用力，来自何方？

4. 如何构建A地与B地的纠缠态以及信息传输。

   也就是如何选择一对纠缠的光子，或者电子，甚至是原子。比如，一对孪生光子（纠缠在一起），如何将其分开，分别放置到两地；或者通过何种映像方式在两地构建，使之成为各自的另一半。

   一开始，我曾经这样构想过。将一束激光经过A地的介质，与其作用后，产生了标记或标识，然后再射向B地的介质并同样产生作用。那么，我只有标记了激光中的特定光子（因此，需要单光子激光发射源和单光子测量），我才有可能利用这个光子在A、B两地中的介质产生一种‘镜像互动’关系，或者是‘孪生互动’关系，即纠缠态。这样的方案是用一产生二的过程。它们是这样暗度陈仓的吗？

   这方案似乎不妥，我于是构想第二个虚拟试验方案。用一个光子自身的纠缠态来进行传输试验。因为测量即带来干扰，测量即带来了量子态的变化。那么，当单光子一旦被产生制造出来，就需要测量其状态，假定其状态为1，而对其操作之后，其态立即变为0。然后，就将这个0态传输到B地。在接收端，获取了0这个态，但需要测量其状态，而一旦测量，又破坏或者改变了其状态，使其又转变为1态，从而恢复了初始发送的1这个信息态。于是所谓的隐形传送完成了。而传送中间，这个光子如果不受到干扰和影响，那么其信息状态将保持，反之，则会遗失。这个过程，也就是文中开篇所描述的即先‘毁灭（捣碎）’一只鞋子，然后又复原了这只‘鞋子’的过程。其实，本来就是一只‘鞋子’。

   上述过程没有采用‘魔术’的方式，而是采用了‘测量’的方式，完成了信息的传送。‘魔术’掩盖了‘物理’过程和作用方式，就让人不知所云，成为玄妙。因为，‘测量’过程赋予了系统能量。实际上，对单光子测试带来的干扰，是测试过程中赋予了单光子能量的过程，使其内部结构的状态（纠缠态）发生了此消彼长的过程。

5. 进一步思考测不准原理，测试即带来影响。

   这又回到了哲学问题上了，人类对真理的追求只能是无限的接近了。对于微观试验，是否我们只能进行思想试验来验证微观尺度的现象了。答案显然非此。反观，是否我们的测试也只局限在位置、速度和时间单一的物理量上了，而对于微观尺度来说，我们本来就应该以更广义的综合物理量来进行描述乃至测试？另外，测试过程中，如果知道了输入的‘测试能量’、或者‘输入信息’是多少，我们是否就可以从理论上或者试验上就测得准了？

      行文至此该结束了，都是一些个人对未知领域粗浅的想法。忽然，想到两句古诗：曾经沧海难为水，除却巫山不是云。还有什么：男人的一半是女人，还有什么：一旦拥有，终生相守。还有什么：你只属于我，我只属于你。或者还有什么：夫妻本是同林鸟！这是不是都在描述纠缠态！

      文中的一些观点和论述有可能是稚嫩或是看起来可笑的，甚至不正确的，让内行看来或许会贻笑大方。但或许就是这些稚嫩的想法或许才能带来他人的脑洞大开。总体感觉，大众还是需要更加简单生动、通俗易懂的科普，更需要客观实在朴素的有‘测量’能量在内的物理科普。又进一步想想，无论什么高深的理论都应该有类比或者相应合理的解释。如爱因斯坦先生用与一个心仪的女士在一起交谈时来比拟相对论一样，可以让人理解和接受，而不是成为一个玄妙的东西。我相信这世间有神秘的力量、甚至难以琢磨的力量在起作用，甚至超出人类的理解能力。本文就看作是一个天方夜谭吧。写下这些，作为思考。