漫画 | 物质的本质是信息吗？五分钟看懂中国地星量子隐形传态实验

这是Sheldon的第54篇漫画，所有图片大约4.9MB。

在量子通信、量子计算和科幻小说中，有一种神奇的状态扮演着重要的角色。

如果有一对粒子形成了这种状态，不论它们相距多远，只要你测量其中一个粒子，另一个粒子也会瞬间发生响应——在常人眼中，它们仿佛能够超越光速的限制，形成了一种“超光速的心灵感应”——就连爱因斯坦也无法透彻地理解这种概念，只好揶揄说，这是一种“鬼魅般的超距作用”。

在科幻小说《三体》中，这种状态更是成了推动小说情节发展的关键黑科技。借助这种状态，三体人再也不用担心光速的限制，能够从4.2光年外的老家，向地球瞬时传递信息，顺利完成在地球上扶植人奸的任务。

说到这儿，你可能想起来了，这种神秘的状态就是深受朋友圈伪科学文章欢迎的、让霍金的哥们罗杰•彭罗斯从一个正统科学家滑入民科深渊的“ 量子纠缠 ”。

在2017年初，量子卫星“墨子号”施展了一项关于量子纠缠的绝活： 在1200千米的距离上，完成了量子纠缠光子对的分发实验 。

量子卫星的另一项绝活也跟量子纠缠有关，这项绝活在科幻小说中的名字比量子纠缠还要响亮，叫做“ 量子传送 ”（它的学名叫做 量子隐形传态 ）。

今天我们要说的是，中国科学家首次将地球上物质的量子状态，“传送”到了1400千米外的 “墨子号”量子卫星上。他们是怎么做到的呢？

量子传送可不是你想象的那样：把人关进一个玻璃罩里，用一束光一照，嗖的一声，他就消失了。

然后在一千公里之外的太空，又有一束光一照，嗖的一声，那个人就传送好了。

你想的太美了，那是魔法传送，在科学上实现不了。

跟魔法传送相比，量子卫星完成的量子传送实验，有4个不一样的地方。

1. 量子传送不能凭空把物体传送到远处。 它传送的是一个粒子的量子状态，而不是粒子本身。我们姑且把这个粒子叫作X。

量子传送的过程也不是凭空发生的，而是需要借助一个粒子（我们把它叫作A），将X的量子状态传送到远处另一个粒子（我们把它叫作B）的身上。在中国的地星量子隐形传态实验中，这三个粒子都是光子。

量子传送进行的时候，物质既没有凭空消失，也没有凭空出现。传送之前有三个粒子，传送之后还是三个粒子。只不过三个粒子的状态都变了。

2. 实验用到的粒子可不是随便选的。 A和B在传送之前，必须先形成量子纠缠的状态 。量子传送，就是利用A和B之间的量子纠缠，通过X和A的相互作用，将X的量子状态的一些特征，传送到遥远的B身上。

3. 量子传送不能超越光速传递信息 （爱因斯坦：读到此处，破涕为笑 ）。

你可能会问了，刚才不是说，“如果一对粒子发生了量子纠缠，只要你测量其中一个粒子，另一个粒子也会瞬间发生响应”吗？如果另一个粒子能够瞬间响应，难道不可以利用它超光速传递信息吗？

其实，之前提到的“另一个粒子瞬间发生响应”，并没有本质错误。当我们测量量子纠缠中的一个粒子时，另一个粒子的响应确实是超越光速瞬间产生的。但 这种响应完全是一种掷骰子式的随机行为，根本不能用来传递信息。

比方说，在量子传送中，当X和A产生相互作用的一刹那，量子力学就会犯它的老毛病，让“上帝”开始“掷骰子”（爱因斯坦：才下眉头，却上心头 ），随机产生4种结果中的1种！

此时，X的量子状态的一些特征，确实传送到B的身上。但在可能传送到B身上的4种结果中，有3种结果会以不同的方式将这些特征打乱，重新组合。

在每一次的量子传送实验中，“上帝”都会“掷骰子”，随机从4种传送结果中选1种。B到底会得到什么样的结果，科学家根本控制不了，所以是完全是随机产生的。

在物理学中，随机就意味着结果不确定，结果不确定就相当于说“不知道”，也就是说，在完全随机的结果中不包含任何确定的信息！

注：我们举一个简单的例子。假设你想问你的配偶，今晚有没有兴趣一起看Benenti的《量子计算和量子信息原理》？

他/她打算通过一对纠缠光子给你发送回答。在回答之前，你猜测，她有50%的概率说有，50%的概率说没有。

为了通过量子纠缠发送回答，他/她操纵了其中一个光子，导致“上帝掷了一次骰子”，使你随机得到另一个光子测量结果，每一种结果出现的概率各占50%。

因为“掷骰子”的过程完全是随机的，任何人都没法控制。所以不论他/她究竟想说什么，你都有50%的概率得到“有”，50%的概率得到“没有”。

也就是说，回答之前和回答之后没有任何区别。

在量子纠缠中，虽然远处的粒子对相互作用瞬间做出了响应，但响应的结果完全是随机的，不以人的意志为转移，结果什么信息都没有传递出来！

所以，量子传送并不能超光速传递信息（严格地说，是不能超光速传递经典信息），这是因为量子纠缠本身不能超光速传递信息。

也就是说，《三体》中设想的“通过量子纠缠从4.2光年外瞬间传递信息，从而扶植人奸”的设想是无法实现的。（大刘： ）

既然量子传送的结果是随机产生的，那么如何才能真正地将原先的X的量子状态，传送到远处的B身上呢？这就要说到量子传送的第4点不同。

4. 量子传送必须通过打电话、发邮件等经典信息通道传输测量的结果，才能真正完成传送。

原来，在X和A发生相互作用的一刹那，X和A这两个光子也会随机进入一种新的状态，这个状态也是随机地四选一，跟B光子的四选一完全对应。

为了完成量子传送，在X和A附近的科学家必须检查这两个光子到底进入了哪个状态，然后把这个状态结果通过打电话、发邮件等不可超过光速的通信方式，告诉远在B粒子处的另一个科学家。

另一个科学家了解了X和A的状态信息后，就能知道B粒子身上接收到X的特征发生了哪些变化，就可以有针对性地对B粒子进行操作，从而将X最原始的量子状态还原出来，使得X的状态成功传送到B粒子的身上。

在整个传送的过程中，两边的科学家可以 自始至终都不知道原先的粒子X处于什么样的量子状态 。由于漫画的创作需要，我们把粒子X的状态画成了“白鹤亮翅”。但实际上，它可以是任何状态，只要量子力学允许就可以，而且科学家可以完全不知道它处于哪个状态。

不管X处于什么状态，只要按照上面说过的步骤，一步一步操作，科学家就可以把它传送到遥远的粒子B身上。

如果你觉得量子传送的过程还是太复杂，可以参考分钟物理制作的这张动图：如何传送薛定谔的猫。除了没有体现“量子传送必须借助量子纠缠”和“猫不能凭空消失”之外，其他细节的比喻都可以帮助理解。

总之，量子传送的本质可以简单地理解为，先用纠缠光子对中的一个光子A，跟待传送的X发生相互作用，然后读取相互作用结果中蕴含的信息；再将这个信息传输给B处的科学家，让他有针对性地操纵光子B，使得光子B的状态完全还原成光子X原先的状态。

我们再强调一下，在量子传送的过程中，物理学家自始至终都不知道要传送的光子X处于什么样的量子状态。它的奇妙之处就在这里： 虽然你不知道你要传送的量子状态是什么，但你仍然可以通过下面几个步骤的操作，把它传送到一千公里之外的地方。

因此，量子传送（确切地说，是量子隐形传态）被科学家看作是一种量子通信的实现方式。

为什么非要搞量子传送，能不能直接复制粒子的状态？

不能！

在量子力学中，对于一个未知的量子状态（光子X），科学家既不能直接对它精确测量（ 测不准原理 ），也不能未经测量而强行将它复制出来（ 量子不可克隆原理 ）。

所以，如果你想把一个光子X，从地面弄到太空中，要么你需要将光子X朝天上发射出去，要么就得使用量子传送。

比方说，在量子卫星的量子传送实验中，科学家有一大堆要传送的光子X。他们可以让设在西藏阿里的地面站快速产生一对对纠缠光子，然后向太空中的量子卫星发射其中一组光子B。然后通过量子传送的方式，将一个个要传送的光子X的量子状态，传送到量子卫星接收到的B身上。

一个哲学问题：它还是原来的它吗？

说到这儿，你的脑中可能会产生一个哲学问题。如果光子X的量子状态传送到了光子B身上，那么传送后的光子B跟传送前的光子X到底算不算同一个粒子呢？

或者我们可以换一种问法。比方说，你是一名宇航员，在天上感到孤单寂寞。你的对象为了来看你，先是给你发送了一大堆粒子，然后通过量子传送的方式，让这堆粒子变成了自己身上对应的每一个粒子的状态，分毫不差。那么，这堆粒子构成的跟你对象各个方面完全一致的人，到底是不是你原先爱过的那个人呢？

在哲学家看来，这个问题可能有很多种答案。有的流派会说是，有的流派会说不是。

从物理学的角度讲，这个问题只有一个回答：是！

如果有两个粒子，种类完全相同，量子状态也完全相同，那么它们就是完全无法区分的。

如果有一个粒子，量子状态被测量破坏了，却在一段时间后，传送到了另一个同种粒子的身上，那么物理学家就可以说，同一个粒子又一次出现了。或者说，一个粒子被传送过去了。

这也许就是为什么，量子隐形传态实验的英文名称叫做quantum teleportation，其中的teleportation在科幻小说和电子游戏当中，就是指“隔空传送物质”。

物质的本质是（量子）信息吗？

如果传送状态就等于传送物质，那么我们可以说，物质的本质就是信息吗？

当然可以。已故的著名物理学家约翰•惠勒曾经提出，信息是物理学的核心，万物皆是比特（”It from bit”）。

随着量子计算和量子通信学的发展，量子物理学中的信息（量子比特）在科学家心目中的地位越来越重要。2003年，物理学家大卫•多伊奇进一步发展了惠勒的观点：万物皆是量子比特（”It from qubit”）。

量子传送实验，从一个侧面反映了万物皆是量子比特的说法。

我们有可能传送人类大脑中的意识吗？

从物理学家的角度看，传送人类或者传送人类大脑并不违背物理原理。如果能把人类大脑中的每一个原子的状态，通过量子传送，传送到另一堆原子身上，那么我们就实现了传送大脑。

但大脑中的意识是不是也能传送呢？物理学家通常不考虑的意识问题，按理说应该咨询生物学家。当然，物理学家认为世界的基础是物理的，如果我们传送了大脑中所有的物理信息，那么其中的化学和生物信息也应该都一起传送过去了。

但是，一个人的大脑平均含有10^26个原子，也就是100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000个原子。虽然传送大脑不违背物理原理，以现在的技术手段，科学家想办也办不到啦。

中国的地星量子隐形传态实验是怎么做的？