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如果地球上有两个纠缠的粒子，我们把它们发送到空间的两端，这种纠缠使它们能即时通信。我们能利用这种比光速还快的速度发送信号吗？遗憾的是，答案似乎是不能。

假设有两个未决定自旋的纠缠粒子，我们把它们密封在两个盒子里……我说过我不再用盒子作类比。那我们把它们密封在两只鸡的肚子里，一只鸡送往火星，另一只送往海王星。

我们的火星实验员打开鸡肚子，发现粒子处于上旋状态。她认为这很有趣。她马上就知道海王星上的另一名实验员在鸡肚子里看到了下旋的粒子。但她只能用普通的方法把这个结果告诉自己的朋友，此外别无选择。

我们无法通过纠缠链发送信号，因为所有纠缠链都是通过粒子采取的本征态而产生联系的。我们无法控制这种本征态（它是随机的），所以我们无法控制在纠缠粒子之间发送什么信号。

如果实验员能以某种方式说服一个粒子采取上旋或下旋的状态，她就可以用一系列的鸡来编码二进制信息，而她的伙伴可以在海王星上解码这些信息，但这是不可能的。

如果不测量，叠加态就不会被影响。测量使叠加态坍缩，让你的想法全部落空。通过量子纠缠，你能知道的唯一信息是另一位科学家的实验结果。比光速还快的通信是不可能的。但瞬间移动……

传送

2017年7月4日，一群在中国工作的物理学家公布了他们的新世界纪录：有史以来最远的瞬间移动。[1]此前的纪录是在2012年创造的，当时一组研究员成功地在加那利群岛[2]的群山之间把某个东西瞬移了143千米。这次的新纪录是之前的10倍。

这个团队由潘建伟领导，他们进行了一次量子隐形传态，起点是西藏的实验室，终点是距离地球1,400千米的Micus卫星。这是从地球到太空的瞬间移动，我体内的星舰迷(2)开始亢奋起来。

1993年，蒙特利尔大学的阿舍·佩雷斯、威廉·伍斯特和查尔斯·本内特提出了量子隐形传态。[3]我们已经知道，相对论不允许粒子速度比光速还快，但由于纠缠，关于粒子状态的信息可以绕过这个问题。

再想想爱丽丝和鲍勃。从纠缠机中诞生以后，它们被发送到我们想要相互传送的两个位置。鲍勃被送到卫星上，爱丽丝则留在地面的实验室里。我们不知道爱丽丝或鲍勃的任意一个属性（这是使它们纠缠的原因），但我们知道它们的叠加态。

现在，我们引入第三个粒子，也就是我们想要传送的粒子，我们叫她凯茜。凯茜的状态是已知的，如果我们让凯茜与爱丽丝接触，就能使她们纠缠在一起。

在这个过程中，我们必须确保不会意外地测量爱丽丝，因为测量会使爱丽丝和鲍勃之间的纠缠桥坍缩。但如果我们足够小心（使用受控非门和阿达马门(3)），就可以让凯茜摆脱自己的本征态，与爱丽丝纠缠在一起。

这相当于我们打开了爱丽丝所在的房间，当我们扶着门让凯茜进去的时候，并没有偷偷地往里看。现在，凯茜和爱丽丝处于一种叠加态，我们已经丢失了这二者的信息。但我们知道凯茜的原始状态，并且知道这种状态将由两者共享。

我们已经让爱丽丝和凯茜产生纠缠，同时并没有打破爱丽丝与鲍勃之间的纠缠，现在，哪怕鲍勃身处太空，凯茜的信息也与他共享。我们已经实现了一种三角纠缠—薛定谔肯定会赞成。

如果操作无误，我们就可以开始测量凯茜和爱丽丝的部分信息，她们的其他信息则与鲍勃的信息纠缠在一起。

假设我们测量凯茜和爱丽丝的头发颜色，但不测量眼睛的颜色。头发颜色的信息已经坍缩，但眼睛颜色的信息还有待发掘。如果现在对着鲍勃所在的卫星广播，让那里的人们测量鲍勃的眼睛颜色，很有可能鲍勃的眼睛颜色与凯茜相同。

凯茜本身并没有穿越空间，但她的部分属性已经转移了。这就好像鲍勃是一块空白画布，凯茜的图像被裁剪、粘贴到他身上一样。

佩雷斯和伍斯特把这种现象称为“量子提取”，但贝内特坚持认为“量子隐形传态”听起来更酷[4]。他是对的。

但是，有几点限制需要明确。第一，在与爱丽丝形成叠加态之前，凯茜会坚持自己的属性。这意味着我们不能把鲍勃变成凯茜，同时保留着原来的凯茜。如果我们想要转移凯茜的属性，就必须先把这些属性剥离出来。这就是所谓的“量子不可克隆定理”，即量子信息可以传输，但不可复制。

第二，如果另一端没有检测信息的测量设备，我们就无法传输信息。在测量完凯茜和爱丽丝之后，我们仍然需要发送一个常规信号，告诉携带鲍勃粒子的人测量哪种属性。如果我们发送的信息是眼睛颜色（这一点是无法控制的），那么测量鲍勃的头发颜色是无用的，因为它已经坍缩了。

很明显，真正的量子隐形传态并不是测量眼睛的颜色，而是测量粒子的自旋和能量等。但这些性质是粒子本身的属性，所以它们可能是一样的。

如果做量子隐形传态的次数足够多，理论上我们可以把粒子的所有属性依次转移到另一个粒子上，哪怕这个粒子远在卫星。如果卫星上的粒子与地球上最初的粒子相同，这就相当于你把它传送了。

我提过量子力学的时间旅行吗

提到过一些。这是一个还在讨论的实验，叫“延迟选择量子擦除实验”，它属于霍格沃兹(4)图书馆的禁咒区，因为它腐蚀了无辜的年轻物理学家的头脑。

创造一对纠缠的粒子，把其中一个（爱丽丝）发送到简单的、另一端有屏幕的双缝设备。接着，向粒子探测器发射鲍勃。如果打开探测器，鲍勃的波函数就会坍缩；如果不打开，他将处于叠加态。

由于鲍勃与爱丽丝纠缠在一起，发生在检测器处的鲍勃身上的事情会立即影响双缝处的爱丽丝。当鲍勃靠近时，如果打开探测器，鲍勃就会坍缩，迫使爱丽丝也坍缩，她将像经典粒子一样只通过一条狭缝。然而，如果关闭探测器，鲍勃将继续处于概率波状态，而爱丽丝会同时穿过两个狭缝，直到她撞在屏幕上的某个地方，成为斑马条纹的一部分。

重复操作几百次，你会得到一个完美的结果。如果在15%的情况下打开鲍勃探测器，那么在15%的情况下，爱丽丝粒子就会以经典方式撞击屏幕，而另外85%的情况下粒子会“形成斑马条纹”。

如果把双缝放在激发爱丽丝粒子的纠缠机旁边，爱丽丝会通过它，并不得不表现出粒子性或波动性，这取决于是否探测鲍勃。但如果鲍勃探测器在一千米外呢？

想象这样一种情况，爱丽丝已经穿过双缝，而鲍勃还没有抵达探测器，且不知道是否开启了探测器。如果鲍勃被探测，爱丽丝就必须像粒子一样穿过双缝；如果鲍勃没有被探测，爱丽丝就必须像波一样穿过双缝。爱丽丝不知道是否开启了探测器，所以她不知道鲍勃是否被探测。她该怎么办？

我们延迟了爱丽丝的选择，使她在不得不坍缩的时候选择是否坍缩，因此结果发生在原因之前。像这样的机器一定很疯狂吧？1999年，金允浩建造了一台。而爱丽丝每次都做出了正确的选择。[5]以尼尔斯·玻尔的足球的幽灵之名，这怎么可能？

如果在42%的实验中设置探测器测量鲍勃，就会有42%的爱丽丝以粒子的形式通过。如果在89%的实验中设置探测器测量鲍勃，就会有89%的爱丽丝以粒子的形式通过。无论打开探测器的频率是多少，爱丽丝总会做出正确的回应。

这就好像爱丽丝看到了未来，知道鲍勃将通过纠缠链给她传递什么信息。纠缠信息的传播速度显然比瞬移还快。那么，我们能从未来向过去传递信息吗？

假设我们在实验中发射了三对纠缠粒子，并观察爱丽丝粒子。我们让鲍勃走很长的路径，要24小时才能到达。一位科学家同意在24小时内走到鲍勃探测器，并按照特定的模式开启或关闭，该模式与天气有关。如果天气晴朗，他就开—关—开，如果天气阴湿，他就关—开—关。

爱丽丝会以相应的模式撞击屏幕，告诉我们24小时后科学家将以怎样的顺序设置鲍勃探测器。这样我们就可以成功地发送溯时信号。

遗憾的是，这又是一个圈套。通过观察单个的爱丽丝粒子，我们不能判断她穿过的是一条狭缝还是两条狭缝。每个粒子都撞在屏幕上随机的位置，这既可以是经典粒子的行为，也可以是量子粒子的行为。只有观察成千上万个爱丽丝／鲍勃粒子对，并比较他们的百分比，我们才能观察涉及条纹的量子效应。

这意味着我们只能在实验结束后观察到时间旅行效应，而不能在实验过程中观察。爱丽丝每次做出选择的时候，我们必须擦除对她的了解，否则就看不到量子效应。这个实验因此得名：延迟选择量子擦除实验。

无论这种现象是什么，它都只是发生在盒……母鸡体内的隐喻。只有当它先发生了，我们才能看到。说实话，量子力学是一场轻浮的挑逗。

这世界本不该有意义

在哥本哈根诠释中，科学家认为，在小于“海森堡边界”的地方，量子效应占主导地位，而大于“海森堡边界”的地方由经典物理接管。任何小于海森堡边界的东西都遵循薛定谔方程，而大于海森堡边界的东西则服从牛顿定律。这是一种物理学的表述，意思是“我们不知道将发生什么”。

问题在于，由于纠缠，海森堡边界不可能真的存在。如果你开始把量子力学应用到单个粒子上，就能很轻松地把它应用在两个、三个、四个或任意多个粒子上。量子纠缠可以将任意数量的粒子连接在一起，因此可以描述整个人类、所有种群和全部行星的薛定谔波函数。

长期以来我们本该看到了量子的疯狂，但显然我们没有。这是我们之前遇到的五大问题之一，也是近年来我们取得不错进展的问题之一。

想象测量一对纠缠粒子的自旋，比如说其中一个是上旋，它的纠缠伙伴会立即变成下旋，两者不再相互联系。它们不再由相同的波函数控制，所以纠缠态被打破了，我们可以把它们描述成独立本征态。

现在想一下测量行为本身。我们在测量一个粒子时，所发生的事情是该粒子与探测器中的一个粒子发生纠缠，同时切断了与之前相互纠缠的粒子的联系。

测量纠缠对中的一个粒子就是用一组纠缠替换另一组纠缠，这意味着测量某物就相当于与某物纠缠，即使我们测量的是单个粒子。

如果在测量之前单个粒子处于上／下旋叠加态，这相当于它与自身纠缠。它有两个可能的结果，这两个结果是通过相同的波函数联系起来的。当我们测量的时候，这种自我纠缠被打破了。

薛定谔的猫活着／死了

抛硬币的时候，我们认为有两种结果：正面或反面。但严格来说，还有第三种可能：硬币可能竖着，即在旋转时突然停下来。

现在想象当硬币旋转的时候，慢慢地用手指接近它。在你摸到它的那一刻，硬币会坍缩到一侧或另一侧，结束危险的舞蹈。硬币的两面代表有两种可能状态的粒子，旋转代表一种叠加态，我们的手指相当于测量仪器，它使波函数坍缩。

到目前为止，哥本哈根诠释就是这样的。但这个类比是有缺陷的。触摸硬币的手指并不是不同类型的物体，而是一种由粒子组成的探测器，遵循与硬币相同的量子定律。因此，我们不应该用手指，而应该把探测器想象成另外一枚硬币在桌面上旋转，同时靠近我们感兴趣的那枚硬币。探测器和粒子处在一种叠加态中，相遇的时候，它们撞在一起，坍缩成一种本征态。

如果让旋转的速度恰到好处，理论上来说这些硬币会与它的旋转舞伴（一个纠缠对）紧密配合，并保持叠加态。对真正的硬币来说，这种情况不会经常发生；但对于粒子而言，这不过是家常便饭—只要波函数达成一致。

想象一下让100枚硬币一起旋转，形成一个巨大的纠缠，这是非常困难的事情。即使你做到了，这种布置也是非常不稳定的。其中的一枚淘气硬币或者外来的一枚硬币都会使一切坍缩。因此，相互作用的粒子越多，就越难形成叠加态。

多少个粒子会使系统突然成为经典系统？不存在特定的数字。经典物体有太多的粒子，几乎不可能让它们同时处在协调的位置。经典世界的存在是因为叠加态是不稳定的，但没有哪条定律规定，我们不可以让一个大物体处于叠加态。

一只猫可能有数万亿个粒子，如果每个粒子都非常同步地纠缠在一起，叠加态就可以适用于整只猫。然而，你不可能看到这种情况，因为空气中的一个分子就可以把整件事情搞砸。

薛定谔认为猫不可能既死又活，因为在形而上学中这是不可能的。他是对的，但理由错了。盒子里的放射性粒子可以处于叠加态，但一旦它与更大的物体接触，就会变得越来越不可能保持叠加态。

如果我们设法让猫体内的每一个粒子都完全一致并完美纠缠，那么一旦猫与盒子发生相互作用，死／活的叠加态就会消散。让猫既死又活的唯一方法是把它与周围环境分隔开。2014年8月，物理学家阿龙·奥康奈尔就是这样做的。

宏量子

奥康奈尔实验中的“猫”实际上是一块跳水板形状的金属，宽60微米，大致相当于人类头发的直径。为了防止内部粒子相互作用而产生不协调，奥康奈尔将金属板悬浮在微型游泳池上方，整个系统被放在盒子里，冷却到绝对零度(5)以上几摄氏度。材料中的任何随机振动都可能使一切坍缩，但如果所有粒子都处在低温下，整个物体就相当于一个大粒子。

接着，把金属板连接到盒子外面的电路上，通过测量电路的电流，奥康奈尔就可以在不打开盒子的情况下观察金属板的行为。在这种低温状态下，奥康奈尔打开机器，吸出所有的空气，防止空气与金属板发生纠缠。量子魔法随即发生。

金属板的振动既轻柔又强烈，粒子的移动既剧烈又温和，这意味着每隔几纳秒，原子就会同时出现在两个地方，既接近平衡位置，又远离平衡位置。奥康奈尔建立了世界上第一台量子机器。

2018年5月，迈克尔·范纳创建了一个量子鼓，扩大了实验的规模。量子鼓可以同时振动和静止。在实验中，将一层1.7毫米的薄膜（大约一粒沙子的厚度）放置在光子的路径上，光子可以选择是否撞击薄膜。在叠加状态下，撞击和不撞击同时发生，这意味着：当鼓吸收光子的动量时，它会振动；当光子选择节奏较慢的路径时，鼓会静止。

这种振动非常微弱，实际上每秒只有几个光子撞击鼓面，所以肉眼是看不见的。但范纳的灵敏仪器能够探测到沿两条路径移动的光子，这意味着鼓同时振动和静止。范纳的实验是在室温下进行的，因此更引人注目。

然而，人类观察到的最宏大的量子现象发生在几年前。2017年，由大卫·利兹领导的一个团队用绿硫细菌标本做实验，把激光照射在装有细菌标本的反光镜箱里，希望以此影响光合细胞中的电子。

他们没有意识到，激光中的光子与细菌中的电子产生纠缠，使细菌和光束形成叠加态。第二年，基娅拉·马莱托指出了这一点[6]。这是可能的，因为盒子里充满了光，细菌无法与其他东西相互作用，这意味着它们与激光的纠缠链可以维持相当长的时间。量子现象显然可以应用于生物。

我们生活在物理学的奇妙时代，即将发生的事情是前所未有的。人们一直认为量子力学局限在非常小的世界，局限在微观世界，局限在蚁人的世界。但在过去的几年里，我们开始把量子规则应用到日常的宏观世界中去。宏量子时代已经到来。

(1)　Instagram是一款在线图片和视频分享的社群应用软件。—译注

(2)　指系列科幻电影《星际迷航》的粉丝。—译注

(3)　在电子电路中，“与或非门”的作用是实现电路的逻辑功能；在量子线路中，“量子门”起到类似的作用。受控非门和阿达马门是常用的量子门。—译注

(4)　霍格沃兹是英国作家J.K.罗琳的魔幻小说《哈利·波特》中的魔法学校。—译注

(5)　绝对零度，即-273.15℃，接近这个温度时，粒子的运动会接近停止。—译注