胡侃量子纠缠

今年的Nobel物理奖赋予了研究量子纠缠的三位物理学家。
一下子许多人可能对量子纠缠感兴趣起来，我这里胡侃一些别人不太注意到及讨论到的额外题材。
先简单介绍一下量子纠缠。
量子纠缠的现象是指一对纠缠的量子，它们具有相反的属性，比如一方是左旋，另一方是右旋。在检测它们之前，它们的状态是不确定的。现在如果把他们分开，距离可以是非常遥远。一旦检测其中一个，得到结果，比如是左旋，在此同时，遥远方的量子必定是相反的右旋，这种现象发生是瞬时的，可以超过光速。
以下聊一下量子通信。
许多人谈到量子纠缠，立即联想到量子通信。自然想到的是，在纠缠的量子分开的情况下，不管双边距离多远，纠缠的一方一旦检测出一种状态，遥远的另一方会瞬时变为相反的状态，这种瞬时变动是可以远超过光速限制的。有学者给出可能会超出光速的10000倍，甚至更高！
如果人们利用这种瞬时作用进行信息传递，就可以实现超远距离，超快的通讯。自然，这是一种非常令人神往的通信方式，现在许多人口头上说到的“量子通信”也许就是指这种情况。
以上提到的量子通信可行吗？现在进展如何？
遗憾的是，至今为止量子纠缠的一方只能检测，不能人工设定，或不能编码，因而超距（超光速）瞬时通讯是不可能实现的。
超光速瞬时通讯如果真的实现了，它会面临一个因果律的困扰。一旦（超光速）瞬时通讯实现，将可能产生原因和结果在时间上颠倒的状况。正如下一节的讨论，对于任何科学上，逻辑上的约束，“结果”总是在时间上排在“原因”的后面，如果颠倒了，先有结果，后才出现原因，这样违反了因果律，所有的自然现象，物理学和其他科学就乱套了。
超光速瞬时通讯不能实现，也许是自然规律自动堵住这种可能性吧。
那么量子通信目前究竟能做到什么？
目前看到所炒作的其实是量子密码通讯，而不是量子超距瞬时通讯。
量子密码通讯实际上只用于传送密码，传送的介质仍然是普通的光纤，电缆或射频信号，速度并不比传统通讯快。量子密码通讯只是使用量子的方式编制比传统密码保密度更高的密码，并且一旦密码传送中被窃听，量子塌缩，传送自动中断，同时会让传送者知觉，保证其高度的安全性。至于量子密码传送以外的通讯数据，属于通讯量的主体，仍然用传统的通讯方式。
目前量子密码通讯并没有被广泛采用，原因是它的局限性。首先传统的密码传送已经是非常完善，保密程度也非常高，是否需要用量子密码通讯，各有利弊。比如，在公共网络上，窃听是非常频繁发生的，用传统密码传送，不怕窃听，反正听到了也解不了密。而对于量子密码通讯，一旦被窃听，传送自动中断，将会造成传送可靠性很差的问题。
中国在好几年前就投资建了北京到上海的量子通讯渠道，开始大大宣传了一通，但现在没有听说广泛采用。
警告！以下内容非常费脑力，无兴趣者不必往下读。
下面谈谈量子纠缠与狭义相对论兼容的问题，顺便讨论到因果关系的困扰，本人尚不了解科学界如何处理？
假定有一对纠缠量子，一方留在地球，另一方乘0.5光速的飞船离开地球而去。
一年后，双方相距会是0.5光年。因为飞船相对于地球高速运动，飞船上的时钟会变慢，根据洛伦茨变换，这时飞船的时钟是0.866年，而地球上的时钟是一年。
此刻，地球上的人对自己纠缠量子一方进行检测，检测结果假定为左旋，按地球时间的同一时刻，飞船方的量子一定为右旋。
如果这时飞船正好在此刻也对自己纠缠量子一方进行检测，结果当然就是右旋。
可是在飞船一旦对自己纠缠量子一方进行检测，它会立刻影响地球上纠缠量子一方的状况，这里所谓“立刻”是按飞船时间观念，认定与地球时间的同一时刻。
飞船上认定的地球时间的同一时刻是什么时间呢？记住此刻飞船的时钟是0.866年，或者自从飞船出发以来，已经度过了0.866年。飞船可以认定自己不动，而地球以0.5光速离自己而去，根据洛伦茨变换，地球上的时间会变慢，这时，飞船认定与自己同时刻的地球的时间是0.75年（0.866年x0.866）。
这样一来，一旦飞船此刻对自己纠缠量子一方进行检测，会让同时刻的地球上的纠缠量子产生影响。这个所谓“同时刻”对应于地球的时钟就是以上推出的0.75年。
以上的讨论是基于狭义相对论的“同时性的相对性”原理，如有质疑，可参看基于狭义相对论的有关书籍或文章，也可以参考作者一篇网文《人类可能进行时间旅行吗？》，
https://bbs.wenxuecity.com/military/1688765.html
这种过程会造成一种荒唐的现象：地球上的人在一年时刻对自己纠缠量子一方进行检测，结果招致在自己0.75年时，或三个月之前的状况被设定。这种原因在后，结果在前，或者因果颠倒的状况逻辑上是荒唐的，科学上也站不住脚。
尽管量子纠缠的超距瞬时作用已被证实，也为科学界普遍接受，但是如何在狭义相对论的时空框架中，让这种理论和实验保持严谨和一致，目前本人尚不知解决或解释的途径在何处？

当然一种观念认为，量子纠缠不适用宏观的相对论的时域状况，也许这是绕过因果律的方法吧。
但是在进行检测试验时，不可避免是在宏观的环境中和使用宏观的仪器。
比如，中国发射的“墨子”号卫星，成功地证实了纠缠量子的另一方可以在1200公里外实现瞬时被影响。
“墨子”号卫星相对地球运动，和GPS卫星类似，它上面的时钟应该用相对论的原理进行换算或校正，与地球上的时间并不严格同步，这点在GPS应用中得到证实。
在检测和证实“墨子”号卫星纠缠量子的另一方的状况时，不可避免会反过来影响地球的一方。在双方时间并不严格同步的情况下，就会出现上面讨论的因果关系的那一幕，时间差别尽管可能很小，但因果关系颠倒还是不可接受的。