量子糾纏最小的速度都超光速,是否違背相對論嗎?

背景

相對論發表已經100多年了，自始至終都牢牢佔據了物理學半壁江山，與相對論相關的研究更是斬獲了大量諾貝爾物理學獎。在愛因斯坦那個年代，無論是星系光線的偏轉，水星近日點進動，還是質能方程與原子彈都一次次證明了相對論，這是背景！

圖：愛丁頓發現星系光線偏轉，證明了廣義相對論時空彎曲

愛因斯坦提出量子糾纏

量子糾纏的速度的確超光速，目前來看量子糾纏的速度可能沒有任何限制，這不是和相對論相矛盾嗎？是的，愛因斯坦的狹義相對論中明確表示了任何靜態質量不為零的物質無法達到光速，更別說超過光速，那麼量子糾纏是怎麼回事？

圖：愛因斯坦與波爾

量子糾纏代表著量子力學，光速不可超越代表著相對論，既然它們互相矛盾，那麼就有一個理論錯了!這是大多數人的想法，其實這也是愛因斯坦的想法，因為量子糾纏就是愛因斯坦先提出來的。他的目的就是想通過與相對論出現矛盾來證明波爾的理論是錯的！那麼到底誰錯了？

孤立的粒子

要明白量子糾纏，首先要明白量子的特性，這裡不一一展開講了，最核心的是「波粒二象性」。當大多數人聽到量子糾纏時考慮的都是兩個粒子，怎麼怎麼樣。薛丁格基於愛因斯坦提出量子糾纏《EPR悖論》（當時還是悖論）是這麼描述的：兩個耦合粒子，當它們彼此不再耦合之後，卻依然維持著一定的關聯。

從這個描述來看，可以發現無論是愛因斯坦，還是薛丁格都是從粒子的角度去看待這個問題的。愛因斯坦更是諷刺地稱此為「鬼魅般的超距作用」。2017年，我國的墨子號量子科學實驗衛星成功上天，將兩個耦合的光子分別發射到兩地，這種鬼魅般的作用在1200公裡內依然有效。

圖：墨子號量子科學實驗衛星

愛因斯坦的量子糾纏粒子

那麼大家是否忘記了什麼？光子同時具有波的性質，也具有粒子的性質，它們是兩個粒子，但它們也相互具備波動性呀！如果你理解了這點，那麼量子糾纏的問題，其實就很容易理解了。下面我舉例說明一下量子糾纏：

我們假設小紅和小明相互糾纏，無論多遠都互為相反的狀態。一個在火星，一個在地球。當你到火星上的小紅家敲門發現小紅在家，那麼你就能瞬間推斷出在地球上的小明必然不在家。

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劃重點：小紅在不在家的狀態並不是我們能決定的，而是我們去敲門(測量)。這就是量子糾纏，不過粒子之間狀態並不一定非要相反。也可能相同，比如你發現小紅在家，那麼瞬間知道小明也在家。還有一點就是糾纏並不是只能兩個粒子糾纏，多少粒子都可以相互糾纏。例如：谷歌說它的量子計算機糾纏數高達53個。

現在問題來了，愛因斯坦認為敲小紅家的門，也就是對粒子進行了測量，如果粒子從疊加態突然坍縮成一個狀態，它必然要傳遞信息給另一個粒子告知自己的狀態，然而這個過程由於距離遙遠是無法達到瞬時的，除非超光速。如果超了，那麼相對論就錯了，而考慮最開始我們提到的前提背景，你就知道其實愛因斯坦本意是想依此來對抗哥本哈根學派的量子力學理論。在現代，物理學家做了大量實驗都證明量子糾纏並沒有錯，並且糾纏的速度即使是最慢的實驗也遠遠超過了光速。

現代的量子糾纏粒子

兩個理論都是經過大量的實驗證明，誰也錯不得。其實答案我在上面已經給出來了——波粒二象性。愛因斯坦和薛丁格把糾纏的粒子當作兩個孤立的粒子，就像把小紅和小明當作兩個需要靠信息傳遞來獲得對方消息的個體，傳遞消息就需要涉及到光速問題。

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圖：為互為相反的一個整體

我們換一個例子：小紅和小明是具備某種關聯的整體，例如他們是有朋友關係，這種關係一個巴掌拍不響，小紅還在火星，小明還在地球，但有一天小明因為一些事情決定與小紅絕交，於是這個整體被瞬間打破了，朋友的聯繫瞬間就沒有了。因此如果你測量發現一個粒子已經向與另一個粒子「絕交」，於是你可以瞬間判斷那個粒子和他已經不是朋友的狀態。這樣的關係是瞬間生效的，不需要光速來進行傳遞。

波函數

當我們用波動方程來表述兩個糾纏粒子的狀態時，我們得到的結果是它倆是一個波，即同一個系統的兩塊，具有一定的內在關係，而不是兩個毫無關聯的個體。用一個不太恰當的比喻，當你沒進屋時，不知道家裡的燈是開著還是關著，但是開關與燈是一個系統，屋裡此時屬於亮與不亮的疊加態，當你推開門的一剎那，發現燈是開著的，那麼你必然可以推斷出開關是處於「NO」的狀態，而不是「OFF」的狀態，不要去考慮他們之間的電磁的傳導，那屬於經典信息，經典信息是無法超光速的，而量子信息是可以的，它的函數是一個波，這就是量子糾纏的原理。

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