量子糾纏超光速，為什麼沒有違反愛因斯坦的相對論？

在潘建偉等科學家的領導下，我國已經在量子通信技術領域實現了突破，處於國際領先地位。量子糾纏的概念也隨之火熱了起來。

愛因斯坦的狹義相對論認為：光速不可超越，任何物體的運動速度都不能超過真空中的光速。截止目前，沒有發現任何違反相對論的物理現象。處於糾纏狀態的兩個粒子之間的感應速度比光速快，但這並沒有違反相對論。這是怎麼回事，讓我們來詳細了解一下。

什麼是量子糾纏？

量子糾纏是發生在光子、電子這一類構成物質的基礎粒子上的一種量子效應。按尺度劃分，世界有宏觀和微觀之分，量子效應就主要發生於原子及亞原子尺度下的微觀世界。量子糾纏這個概念是由波動力學的創始人薛丁格命名的。

說到量子糾纏，必須要先來說一說量子。觀測及實驗表明，原子及亞原子粒子的運動是不連續的，或者說這些粒子的運動變化是離散的。我們用物理量來描述這些粒子的運動變化，如果把某一物理量的變化值填在數軸上，數軸不能被填滿、存在間隔，數軸就被這些間隔分成一份一份的，這些間隔對應的就是物理量的變化，而且總是存在最小的間隔，這就是物理量的量子化，最小的間隔或者說最小的變化單位便是量子。

描述這種變化的便是量子力學，它有別於描述宏觀世界中物質運動的經典力學，經典力學中物理量的變化是連續的，或者說變化量可以無窮小，不存在最小的變化單位。量子世界最大的特徵便是粒子運動的不確定性、隨機性，粒子的波動性便源於此。正這是這個原因，科學家們只能用統計和概率的方式來描述粒子的運動。比如粒子的位置和速度，在被觀測之前都是不確定的，並且位置和速度不能被同時精確測量。「薛丁格的貓」最能形象地說明這種不確定性。

如下圖所示，關於原子結構的電子云模型就很清晰的說明了這個問題，電子並不像行星繞著恆星那樣具有確定的運轉軌道。

不同的粒子具有不同的量子態，當幾個粒子相互作用之後，它們的量子態會疊加在一起，此時這幾個粒子就處於糾纏狀態。處於糾纏狀態的粒子間存在某種特殊的聯繫，兩個粒子分別處在不同的地方，即使相隔1光年，一個粒子的狀態發生改變，另一個粒子的狀態也會對應地發生改變。這種聯繫與粒子間的距離無關，整個過程是瞬間完成的，也稱之為超距作用。

當我們對某個處於糾纏狀態的粒子進行測量，處於疊加狀態的量子態會發生坍縮，從而產生一個確定的量子態，不管相距多遠，另一個粒子也會感應到這種測量行為，坍縮至一個確定狀態。這種坍縮過程也是隨機的。而在測量之前，我們只知道整個量子系統的狀態，無法知道單個粒子的狀態。

愛因斯坦雖然是量子力學的主要奠基人，但是他也曾經質疑過量子糾纏中的超巨作用，並與羅森、波多爾斯基於1935年共同提出了EPR思想實驗。1964年，約翰·貝爾提出了貝爾不等式，ERP思想實驗也就變成了佯謬。惠勒是第一個提出驗證光子糾纏態實驗的人，此後，科學家成功地實現了這個實驗，生成了相互糾纏的光子對。

下圖為糾纏光子對的生成原理

量子糾纏現象與距離、時間無關

量子糾纏是一種鬼魅般的聯繫，與距離的遠近無關。兩個處於糾纏狀態的粒子，即使相隔億萬光年，彼此之間也會存在心靈感應似的聯繫。不過，這種心靈感應的過程主要體現在糾纏狀態解除的那一剎那間，一個粒子被幹擾，另一個粒子即刻就會作出相應改變，糾纏態也隨即解除。如果沒有幹擾，糾纏狀態將一直保持下去。

科學家做了很多實驗，都沒有發現糾纏粒子對在坍縮時存在時間延遲。因此普遍認為，該過程不涉及時間差，或者說耗時為0。速度等於距離除以時間，不管距離多遠，時間又始終為0，如何確定速度？對於量子糾纏現象來說，無論是100倍光速，還是1萬倍光速，都沒有實際意義。你也可以認為，量子糾纏的速度無窮大。

至於為什麼會產生這種聯繫，科學家們也不是太清楚背後深層次的原因。可以肯定，量子糾纏是一種客觀存在的物理現象。

存在超光速現象，並不意味著就會違反相對論

愛因斯坦在狹義相對論中認為宇宙中最快的速度是真空中的光速，它是一切物體運動速度的極限，任何物體的運動速度都不能超過光速，任何有質量的物體的速度不能達到光速。光屬於電磁波，又可以視作光子，由於光子沒有靜止質量，光從誕生起就以光速傳播。而有質量的物體之所以不能達到光速，是因為，當物體運動時，質量也會隨著速度的增加而增加，並且呈指數級增長。這意味著，速度越接近光速，加速物體時所需要的能量也就越多，質量越大的物體加速時所需要的能量也就更多。

目前已知，宇宙中主要存在三類超光速現象，一類就是本文所說的量子糾纏，一類是宇宙空間的膨脹速度超光速，還有一種是介質中的超光速現象。

光在真空中的傳播速度是30萬千米每秒，而光在介質中的傳播速度會比真空中的傳播速度小。有時介質中其它粒子的速度能夠超過光在介質中的傳播速度，這並沒有超越真空中的光速，不算真正的超光速。

宇宙誕生於一次大爆炸，星系就仿佛分布在氣球表面，隨著宇宙的膨脹，也就是氣球的膨脹，氣球上任意兩點的距離都在相互遠離，而相距越遠的點，相互遠離的速度也就越快。空間的膨脹就如同氣球膨脹一樣，相對於地球而言，離地球越遠的星系，遠離地球的速度也就越快。在離地球140多億光年遠的地方，空間的膨脹速度已經超過了光速，但是時空中物質運動的速度並沒有超過光速。

量子糾纏是量子世界不確定性的體現，量子疊加態的坍縮雖然從時間和距離上看起來超越了光速的限制，但是整個過程中並不涉及物質的超光速運動。整個疊加態的坍縮過程是隨機的，量子糾纏並不能傳遞任何信息或能量。我們所說的量子通信技術，嚴格來講是利用量子糾纏技術對通信過程進行加密的一種技術，信息走的還是傳統信道。

物質是信息和能量的載體，我們現在用光或者無線電波來傳遞信息，它們本質上也是物質。不管是量子糾纏，還是宇宙空間的超光速膨脹，它們都不涉及物質的運動，因此並不受狹義相對論的限制。想要利用量子糾纏實現科幻題材中的瞬間轉移，目前來說是不可能的。

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