信息是物质吗？量子隐形传态所引发的问题直指量子理论的核心

原文以 Quantum teleportation is even weirder than you think 为标题

发布在2017年7 月20日的《自然》缪斯专栏上

原文作者：Philip Ball

BBC曾有一条新闻头条是“第一个隐形传输到地球轨道的物体”，它必将是今年你会看到的最奇特的事情之一。似乎终于有一次，科幻作品所预示的未来已经到来！然而是这样吗？

文章说的是，中国的科学家报道称他们已经将地球上一个光子的量子态传送给相距约1400公里的地球低轨道卫星上的另一个光子。这种传送 — 20年前在实验室内首次得到演示— 被称为量子隐形传态。

中国科学家将光子的量子态从地面“传送”到相距1400公里的卫星（合成照片）。

金立旺/新华社/ZUMA

正如BBC的头条所示，这是一个容易让不谨慎的人产生误解的说法。《探索》杂志中的一篇文章详细报告说，科学家们“已经成功地传送了处于量子纠缠态的粒子”，但是令人困惑的是，结果只是表明了“和科幻作品中的传送装置不一样，这次没有任何物理实体被传送了”。

但是等一等：不是有人曾经说过信息是物理的吗？信息理论界的先驱物理学家Rolf Landauer 确实这么说过。所以，如果你没有发送任何物理实体的话，那么你还能从A到B传输什么东西？

这是量子物理学家和哲学家仍然在争论的深层次问题之一。作为一个术语，“量子隐形传态”是一种传达科学观念的吸人眼球的方式，抑或是一种误导性的炒作，这值得商榷。但真正的、更接近问题本质的是： 量子隐形传态的对象到底是什么？又是通过什么方式做到的？

量子透析

如果物理学家Asher Peres和William Wootters在1993年第一次构思这个量子过程时就坚称它为“量子透析” ，我想我们今天在新闻头条里看到的就会是量子透析。但是，他们的合作者Charles Bennett建议用“量子隐形传态”而不是“量子透析”。

无论它被称为什么，该过程将一个粒子的量子态转移到另一个相同的粒子上，并同时擦除原始粒子的量子态。这种情况无法与原始粒子本身已经移动到目标位置的情况有所区别：虽然传输并没有真正发生，但从外表看起来好像已经发生了。

然而，至关重要的是，即使你不知道你发送的是什么“信息” — 即原始粒子的真正量子态，这种传输仍然可以进行。这很重要，因为对未知量子信号进行测量可能会干扰和改变它。

量子态的隐形传态利用量子纠缠现象作为传播手段。当两个或更多粒子纠缠时，它们的量子态是相互关联的，无论它们相隔多远。实际上，它们表现为单个量子对象，由单个波函数描述，该波函数是包含了对象的所有量子特性的数学构造。

该过程开始于纠缠一对粒子，建立起量子传态通道。粒子A由发送者持有，称她为Alice，而B被发送给接收者Bob。因为这些粒子是纠缠的，因而是相互关联的，如果Alice对她的粒子进行某种物理操作，那么该操作可以立即反映在Bob所持有的粒子的量子态上。Alice还有另一个粒子C：她并不知道粒子C的量子状态，但是想将其传送到粒子B上。

为了执行隐形传态，Alice对粒子A和C 一起进行一种特殊的测量，称为贝尔测量。关键问题是，这并会不告诉她C是什么量子态。但是，由于粒子A和B之间的纠缠，所以如果Bob采取正确的操作，它能使粒子B处于粒子C之前的量子态。然而，由于经过了测量，Alice已经从粒子C本身擦除了这个状态。

但Bob需要采取何种操作来完成隐形传传态？他可以从Alice贝尔测量的结果中推断出这一点。她必须通过一些任何有效的经典手段 — 电子邮件，电话，信鸽，将结果传达给他。一旦Bob得到该结果，他将知道怎么将B变成与原来的C同样的状态。

禁止复制

一个普遍的观点是，量子隐形传态是传输信息的一种新方式：一种高速的量子Wi-Fi。令人惊奇的是，量子“信息”被瞬间“发送” — 比光更快 — 因为这正是两个纠缠的粒子如何通信的。

但这不是被爱因斯坦的狭义相对论所禁止的吗？确实 — 而且这个问题正是爱因斯坦反对标准的量子纠缠实质阐释的根源 （他称之为“幽灵般的超距作用”） 。实际上，狭义相对论所禁止的是超过光速的因果影响：一个地方的事件不可能在少于光在两地之间传播的时间内，对另一个地方产生物理的、能观测到的影响。量子隐形传态不会传播任何比光速更快的因果影响，因为你还需要经典的手段 — 限于光速 — 来完成此过程。

至关重要的是，传送的状态从未被实际复制。在基于纠缠的隐形传态过程中，这个状态实际上被破坏了，也就确保了绝没有复制。因此，该过程遵守了量子力学中的一条基本原理，即不可克隆：对任意 （未知） 量子态进行复制是不可实现的。

不可克隆给量子计算中的错误处理带来了问题，但也催生了被称为量子密码学的技术。该技术使得他人不可能在不被检测到的情况下窃取量子态编码的消息。

不可克隆不仅仅是令量子信息技术复杂化的一个技术因素。一些研究人员怀疑，与其说它是量子力学规则的结果，实际上它可能是一个深层的原理 — 几乎算是一个基本的公理 — 导致了反直觉的量子现象，如最先的量子纠缠。

什么是信息？

那么究竟是什么通过纠缠得到传播的呢？

这对于量子信息理论来说是一个棘手的问题：“信息”意味着什么在这里是不明显的。与科学界采用的其他口语化的词一样，我们都很容易想当然我们知道自己在说什么。通过纠缠传输的“东西”既不是Claude Shannon的信息理论中的信息 （利用熵进行量化，随着“消息”随机性的上升而不断增加） ，也不是办公室备忘录意义上的信息 （信息仅仅在正确的语境下才变得有意义） 。那么信息究竟是什么呢？

这个问题是量子信息理论的核心，但一直没有解决。例如，它是关于一些基本现实的信息，还是关于我们干预的影响？信息是面向所有观察者的，抑或是面向个人的？将量子信息描述为流动的东西，如管道中的液体，从一个地方到另一个地方，是否有意义？没有人知道 （尽管他们会告诉你很多） 。如果我们可以回答这些问题，我们可能终将接近理解量子力学的真谛。