胡侃量子糾纏

今年的Nobel物理獎賦予了研究量子糾纏的三位物理學家。
一下子許多人可能對量子糾纏感興趣起來，我這裏胡侃一些別人不太注意到及討論到的額外題材。
先簡單介紹一下量子糾纏。
量子糾纏的現象是指一對糾纏的量子，它們具有相反的屬性，比如一方是左旋，另一方是右旋。在檢測它們之前，它們的狀態是不確定的。現在如果把他們分開，距離可以是非常遙遠。一旦檢測其中一個，得到結果，比如是左旋，在此同時，遙遠方的量子必定是相反的右旋，這種現象發生是瞬時的，可以超過光速。
以下聊一下量子通信。
許多人談到量子糾纏，立即聯想到量子通信。自然想到的是，在糾纏的量子分開的情況下，不管雙邊距離多遠，糾纏的一方一旦檢測出一種狀態，遙遠的另一方會瞬時變為相反的狀態，這種瞬時變動是可以遠超過光速限製的。有學者給出可能會超出光速的10000倍，甚至更高！
如果人們利用這種瞬時作用進行信息傳遞，就可以實現超遠距離，超快的通訊。自然，這是一種非常令人神往的通信方式，現在許多人口頭上說到的“量子通信”也許就是指這種情況。
以上提到的量子通信可行嗎？現在進展如何？
遺憾的是，至今為止量子糾纏的一方隻能檢測，不能人工設定，或不能編碼，因而超距（超光速）瞬時通訊是不可能實現的。
超光速瞬時通訊如果真的實現了，它會麵臨一個因果律的困擾。一旦（超光速）瞬時通訊實現，將可能產生原因和結果在時間上顛倒的狀況。正如下一節的討論，對於任何科學上，邏輯上的約束，“結果”總是在時間上排在“原因”的後麵，如果顛倒了，先有結果，後才出現原因，這樣違反了因果律，所有的自然現象，物理學和其他科學就亂套了。
超光速瞬時通訊不能實現，也許是自然規律自動堵住這種可能性吧。
那麽量子通信目前究竟能做到什麽？
目前看到所炒作的其實是量子密碼通訊，而不是量子超距瞬時通訊。
量子密碼通訊實際上隻用於傳送密碼，傳送的介質仍然是普通的光纖，電纜或射頻信號，速度並不比傳統通訊快。量子密碼通訊隻是使用量子的方式編製比傳統密碼保密度更高的密碼，並且一旦密碼傳送中被竊聽，量子塌縮，傳送自動中斷，同時會讓傳送者知覺，保證其高度的安全性。至於量子密碼傳送以外的通訊數據，屬於通訊量的主體，仍然用傳統的通訊方式。
目前量子密碼通訊並沒有被廣泛采用，原因是它的局限性。首先傳統的密碼傳送已經是非常完善，保密程度也非常高，是否需要用量子密碼通訊，各有利弊。比如，在公共網絡上，竊聽是非常頻繁發生的，用傳統密碼傳送，不怕竊聽，反正聽到了也解不了密。而對於量子密碼通訊，一旦被竊聽，傳送自動中斷，將會造成傳送可靠性很差的問題。
中國在好幾年前就投資建了北京到上海的量子通訊渠道，開始大大宣傳了一通，但現在沒有聽說廣泛采用。
警告！以下內容非常費腦力，無興趣者不必往下讀。
下麵談談量子糾纏與狹義相對論兼容的問題，順便討論到因果關係的困擾，本人尚不了解科學界如何處理？
假定有一對糾纏量子，一方留在地球，另一方乘0.5光速的飛船離開地球而去。
一年後，雙方相距會是0.5光年。因為飛船相對於地球高速運動，飛船上的時鍾會變慢，根據洛倫茨變換，這時飛船的時鍾是0.866年，而地球上的時鍾是一年。
此刻，地球上的人對自己糾纏量子一方進行檢測，檢測結果假定為左旋，按地球時間的同一時刻，飛船方的量子一定為右旋。
如果這時飛船正好在此刻也對自己糾纏量子一方進行檢測，結果當然就是右旋。
可是在飛船一旦對自己糾纏量子一方進行檢測，它會立刻影響地球上糾纏量子一方的狀況，這裏所謂“立刻”是按飛船時間觀念，認定與地球時間的同一時刻。
飛船上認定的地球時間的同一時刻是什麽時間呢？記住此刻飛船的時鍾是0.866年，或者自從飛船出發以來，已經度過了0.866年。飛船可以認定自己不動，而地球以0.5光速離自己而去，根據洛倫茨變換，地球上的時間會變慢，這時，飛船認定與自己同時刻的地球的時間是0.75年（0.866年x0.866）。
這樣一來，一旦飛船此刻對自己糾纏量子一方進行檢測，會讓同時刻的地球上的糾纏量子產生影響。這個所謂“同時刻”對應於地球的時鍾就是以上推出的0.75年。
以上的討論是基於狹義相對論的“同時性的相對性”原理，如有質疑，可參看基於狹義相對論的有關書籍或文章，也可以參考作者一篇網文《人類可能進行時間旅行嗎？》，
https://bbs.wenxuecity.com/military/1688765.html
這種過程會造成一種荒唐的現象：地球上的人在一年時刻對自己糾纏量子一方進行檢測，結果招致在自己0.75年時，或三個月之前的狀況被設定。這種原因在後，結果在前，或者因果顛倒的狀況邏輯上是荒唐的，科學上也站不住腳。
盡管量子糾纏的超距瞬時作用已被證實，也為科學界普遍接受，但是如何在狹義相對論的時空框架中，讓這種理論和實驗保持嚴謹和一致，目前本人尚不知解決或解釋的途徑在何處？

當然一種觀念認為，量子糾纏不適用宏觀的相對論的時域狀況，也許這是繞過因果律的方法吧。
但是在進行檢測試驗時，不可避免是在宏觀的環境中和使用宏觀的儀器。
比如，中國發射的“墨子”號衛星，成功地證實了糾纏量子的另一方可以在1200公裏外實現瞬時被影響。
“墨子”號衛星相對地球運動，和GPS衛星類似，它上麵的時鍾應該用相對論的原理進行換算或校正，與地球上的時間並不嚴格同步，這點在GPS應用中得到證實。
在檢測和證實“墨子”號衛星糾纏量子的另一方的狀況時，不可避免會反過來影響地球的一方。在雙方時間並不嚴格同步的情況下，就會出現上麵討論的因果關係的那一幕，時間差別盡管可能很小，但因果關係顛倒還是不可接受的。