在目前的量子力学框架内，单个量子态不可能被完全测知，同时，任意给定的两个非正交量子态也无法区分。于是，对于相互纠缠的微观粒子，尽

量子物理，意识与超光速通信

已有 751 次阅读 2010-10-21 17:32 |个人分类:超光通信|系统分类:科研笔记|关键词:量子物理，超光速通信

１ 　引言

自１９ 世纪末进入通信时代以来，人们就一直梦想着有一种比光速更快的瞬时通信方式。在这种通信方式下，信息的传递不再依靠信息载体（如电磁波）的直接传输来完成，而是通过一种类似于心灵感应的机制，使信息的传递不再受通信双方之间空间距离的限制。这种瞬时通信将不存在任何传输延时，它是一种真正意义上的实时通信。

今天的科学可能已经提供了这种不寻常的机制，它就是量子非局域影响或量子超光速影响，而依此实现的通信方式被称为量子超光速通信。

２ 　理论背景

相对论和量子力学是２０ 世纪物理学的两大理论基石。然而，这两个理论却并不相容。一方面，相对论禁止任何超光速的物质运动和信息传输，另一方面，量子力学却允许某种超光速影响的存在。１９３５年，Einstein 与Podolsky 和Rosen 共同发表了一篇后来被称为EPR 的著名文章［１ ］ 。在这篇文章中，他们论证了量子力学与相对论的不相容性，从而暗示了如果量子力学的预言是正确的，那么超光速现象必然存在。根据量子力学，在相互纠缠的微观粒子（如电子、光子等）之间存在某种超光速关联，并且如果对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的变化，无论它们相距多远。

１９６４ 年，Bell 在这一方向上迈出了决定性的一步，他在EPR 文章的基础上进一步提出了著名的Bell 定理［２ ］ ，从而使量子超光速关联现象的存在可以通过实验来证实。至今，人们已进行了大量实验来检验Bell 定理，其中最有代表性的是Aspect 等人于１９８２ 年所做的实验［３ ］ 。这些实验的结果基本上证实了量子力学的预言，并显示了微观粒子之间的确存在超光速关联和影响，或者说，微观粒子之间的确存在着某种“心灵感应” 。

当量子超光速影响的存在被证实之后，人们便很自然地想利用这种影响来传递信息，从而实现量子超光速通信。这方面的努力之一来自于Herbert［４ ］ ，他试图通过复制光子的状态来破译量子超光速影响中所包含的信息。然而，Wootters 和Zurek［５ ］ 很快就证明了他的复制方法是目前的量子力学理论所不允许的，他们的结论是单个量子不能被克隆。实际上，存在更为普遍的证明显示，目前的量子理论禁止利用这种量子超光速影响来实现超光速通信。早在２０ 世纪７０ 年代末，Ghirardi［６ ］等人即给出了这样的严格证明，并且类似的普遍证明已为更多的人所给出。这些证明中一个共同的结论是，在目前的量子力学框架内，单个量子态不可能被完全测知，同时，任意给定的两个非正交量子态也无法区分。于是，对于相互纠缠的微观粒子，尽管对其中的一个粒子进行测量时另一个粒子的状态立刻发生相应的变化，但是理论本身却巧妙地禁止人们测量出这种变化。因此，尽管粒子之间“进行着超光速通信” ，但是人们却无法获得这些被超光速传递的信息。

然而，所有这些都只是问题的一个方面。人们逐渐认识到，目前的量子力学理论还存在一些问题，如测量问题。这个理论没有描述理论与经验的连接纽带——— 测量过程，而只是简单地将测量过程当作是一种瞬时的、非连续的波函数坍缩过程，对于这一过程为何发生及如何发生并没有进一步说明。著名的Schrodinger 猫佯谬对此给出了最为形象的说明。另一方面，主要由于对量子宇宙学等理论的研究，人们已意识到坍缩过程将不可能如正统诠释所说的那样与观察者有关，而必须被看作是量子态自身的事情。于是，将目前量子力学理论中的两种对立过程——— 量子态的正常演化与坍缩过程统一为单一的演化过程将是一个非常自然的理论发展方向，其中正常演化和坍缩过程被看作是这种统一演化过程在不同情况下的两种有效近似。实际上，人们已沿这一方向进行了很多研究［７ － １１ ］ ，其中最为引人注目的进展是GRW 理论［８ ］和引力坍缩猜测［９ ］ 的提出。统一后的理论一般被称为修正的量子动力学，它对测量结果的几率预测与目前量子理论的Born 规则一致，但是在这一修正理论中，瞬时的、非连续的坍缩过程被换成可描述的、动态的连续坍缩过程。

另一方面，相对论也不是完美无缺的。根据相对论的基本假设——— 相对性原理，自然规律与Lorentz 参照系的选取无关，这本质上对所有自然规律进行了限制。然而，相对性原理的普适性并未得到证实，实际上也无法得到最终的证实，因为它针对所有自然规律。此外，关于相对论的另一个基本假设——— 光速不变假设，也存在许多质疑。文献［１２ ］对此进行了深入而详尽的理论和实验分析。人们普遍认为，量子超光速影响的存在进一步暗示了相对论并不适用于对所有自然现象的描述。Bell 很早就意识到了相对论的这种局限性，他认为［１３ ］ ，在景象背后存在某种东西比光进行的更快。因此，Bell 建议存在一种特惠的参照系，在其中可定义一个实际的因果序列，从而可以更自然、更客观地理解量子超光速现象，但他并没有给出进一步的严格证明。１９９８ 年，Percival 给出了这一严格证明［１４ ］ ，他在更一般的意义上论证了量子超光速现象不满足相对性原理，从而导致客观上存在一个特惠的Lorentz 参照系。

最近，我们在量子测量问题的研究上取得了进展［１０ － １１ ］ 。通过对物质运动的深刻分析，我们利用清晰严谨的逻辑论证和有力的实验举证提出了物质的基本运动形式——— 量子（非连续）运动及其规律，并严格论证了微观粒子的运动与宏观物体的运动都是量子运动的表现。在此基础上，我们进一步证明了量子运动所导致的波函数坍缩过程需要一个特惠Lorentz 参照系的存在，这为量子力学与相对论的最终融合提供了一种可能的途径。一旦存在特惠Lorentz 参照系，则超光速通信将不再导致逻辑上被禁止的因果回路，从而可以存在。这一重要的理论进展增强了我们对实现超光速通信的信心。

１９９２ 年，Squires 分析了修正的量子动力学理论与超光速通信之间的可能联系，认为波函数动态坍缩过程与自我意识功能的结合可能导致超光速通信的存在［１５ ］ 。然而，Squires 的分析主要是在非相对论领域内进行的，并且基于一些未经证明的假设。Squires 并不确信超光速通信是可实现的，他似乎认为相对论会禁止它的存在。２０００ 年，利用量子运动理论，我们证明了量子超光速通信在相对论领域内不导致逻辑上被禁止的因果回路，并且给出了量子超光速通信的实现原理和实现方案［１０ ］［１６ ］ 。此外，我们还发现了所给出的实现原理与已有实验（如Grinberg_Zylberbaum 等人的实验［１７ ］ ）之间的联系。因此，我们提出了一种不仅有理论依据、同时又有实验支持的量子超光速通信的初步方案。

３ 　实现原理

下面我们给出量子超光速通信的实现原理［１０ ］［１６ ］ 。考察具有意识感知功能的观察者对经典确定态CS 和（由这些经典确定态所组成的）量子叠加态QS 的识别过程。如上图所示，设观察者于tI 时刻对于经典确定态CS 产生一个确定的感知，而他对量子叠加态QS 的识别导致此量子叠加态的动态坍缩过程于tP 时刻完成，此时观察者获得一个关于坍缩分支的确定的意识感知。假设观察者满足下述条件，即tI ＜ tP ，并且这两个时刻的差别可以被观察者意识到。这一条件称为超光速通信条件或QSC 条件，满足这一条件的观察者称为量子观察者。

现在，对于量子叠加态QS 观察者将于tP 时刻意识到他的感知状态的变化，并产生一个关于坍缩分支的确定的意识感知，而对于经典态CS 观察者将于tI 时刻产生一个关于它的确定的意识感知。由于观察者可以意识到这两个时刻的差别，他将可以测知量子叠加态QS 的坍缩时刻，并且区分开输入的非正交量子态CS 和QS ，而这立即可以被用来实现量子超光速通信。应当指出，单个量子叠加态的坍缩时间是完全随机的，并满足一定的连续的统计分布，这一统计分布的平均值即量子态或波函数的坍缩时间。因此，如果输入叠加态的数量很大，总有一定数量的意识叠加态的坍缩时间大大长于平均坍缩时间，并且坍缩时间越长的叠加态所占的比例越小，但仍然为有限值。于是，意识叠加态的坍缩时间长于意识感知时间（一般为几百毫秒）这一条件总可以得到满足，从而根据上述量子超光速通信的实现原理，超光速通信原则上将可以实现。