未來之城 | 時空不再呈現單向流動，量子力學新效應顛覆人類認知

近日，華人科學家宣布發現「天使粒子」，這有何應用上的價值呢？據香港中通社報導，領導理論團隊的美國史丹福大學教授張首晟指出，從基大學部學發現到技術應用往往需要多年時間，但「天使粒子」的發現意味著，量子計算已成為可能。

一、未來能夠影響過去：今天胃痛是因為明天吃了糟糕食物

如果你今天突然胃痛了，你可能得怪罪明天晚上不小心吃下的糟糕食物。這不是天方夜譚，這是量子力學中一種被稱為反因果關係的怪異現象，因果關係可以在時間中顛倒過來。這個想法來自於美國和加拿大的一對物理學家夫婦，他們研究了量子理論中的一些基本假設后認為，除非我們發現時間必然是單向的，否則對粒子的測量既能影響未來也能影響過去。

量子理論最怪異的地方就在於，微觀世界的粒子其位置是不確定的，就像一片模糊的概率雲，可以同時出現在很多地方，只有當我們對它進行觀測的時候，它才會選擇一個確定的狀態出現。就像我們打撞球，只會看到一個白球把黑球擊入洞中，而不會有無數的白球同時把黑球擊入每一個洞中。物理學家們一直在爭論，這種概率雲究竟是代表真實的存在，還是只是一種便利的描繪。澳大利亞物理學家休·普斯在2012年宣稱，如果量子態後面的這種奇怪概率性質反映了某種真相，同時又沒有什麼限定時間只能單向運動，在這片概率雲中的黑球理論上可以從球洞中倒退回來擊中桌上的白球。

一對名叫馬修·雷弗和馬修·普西的夫婦吸收了普萊斯的觀點，把他們的新模型應用于貝爾定理。貝爾說量子力學中發生的事情永遠無法用發生在我們周圍的行為來解釋，沒有什麼東西能導致大量撞球沿著大量不同的路線滾動。

但在最基本的層面上，宇宙是隨機的。如果兩個粒子糾纏在一起，無論它們在宇宙中相隔多麼遙遠的距離，對其中一個粒子的測量馬上就會導致另一個粒子呈現確定的狀態，這種糾纏根據貝爾定理已經進行了反覆驗證，堵住了它們可能通過其它方式相互影響的漏洞，儘管離完全堵住還有一定距離。但如果反因果關係確實存在，那就意味著粒子可以在它被糾纏的時候，在時間中用它的測量行為影響它的同伴，而不需要超光速地傳遞信息。

雷弗和普西的假設還只是一個比較邊緣的概念，如果這個假設是正確的，那麼反因果關係可能正是量子理論所缺失的那一塊，將對物理學家理解量子理論產生巨大的影響。

雖然愛因斯坦厭惡的幽靈般的超距作用確實存在，反因果關係也並不意味著你可以通過時間旅行回到過去改變歷史，或者把中獎彩票的號碼編碼成糾纏的量子，發射到過去送給年輕的自己，以便能少奮鬥好多年。

二、「積少」卻能越來越多：所有人都向外走，房間里人卻會越來越多

一般情況下，對於足球場上放著的足球，如果你去踢它，它將向你用力的方向移動。但是在微觀尺度的量子世界里，事情很可能是另外一個樣子，當你向一顆粒子施加作用力，它可能會倒退回來，這種現象被稱之為「迴流」。

近期，倫敦帝國理工學院理論物理學教授喬納森·哈利維爾在《物理評論A》上發表了關於量子迴流現象的最新論文，研究顯示，迴流效應始終存在且無所不在。在此之前，科學家們一直認為迴流效應只在「自由」的沒有外力作用的量子中存在。

喬納森·哈利維爾教授在論文中對迴流效應做出了一個形象的比喻：假設一個有很多人的大房間，你指揮房間里的人一個個走向房門離開房間。正常情況下，房間里的人數應該逐漸減少。但是在量子力學中，即使每個人都非常努力地向外走，房間里的人數卻可能會增加。

這是量子力學波粒二象性和概率論性質作用的結果，即使有正向的動量，粒子總有向後運動的概率。目前迴流效應仍未在實驗室里獲得驗證，科學家們正在開發相關實驗裝置，計劃用玻色-愛因斯坦凝聚物對它進行測試。

三、相隔再遠也能「瞬間移動」：「秒速瞬移」並非妄想，量子隔空傳遞技術或將靠譜

無論是在科幻小說中，還是在神學領域裡，有關「瞬間移動」的概念已經流傳了上千年了。雖然《星際迷航》系列電影的大火，也順帶著將「瞬間移動」的概念帶入到了主流觀眾的視線下，讓它變得無人不知無人不曉，但它其實早就已經在莎士比亞的《暴風雨》里，在《一千零一夜》中的阿拉丁故事中，甚至在猶太教《塔木德經》里就已經出現過了。

然而，現代科學也未能實現將這一「科幻夢想」變成「科學現實」，這是因為量子力學在科學家們的面前放置了一些令人難以逾越的障礙。但即便如此，對於那些單個粒子來說，量子隔空傳輸卻是一個非常真實的物理現象。日前，人類有史以來第一次實現將一個粒子從地球「隔空傳送」到了太空中的一顆衛星中。

首先，讓我們一起來設想一個沒有量子力學的世界，它的運行方式要相對的簡單粗暴：你知道組成一件東西的所有粒子的位置、粒子與粒子間的聯繫、粒子與粒子間的交互，以及它們的固有運動方式。你將這個東西打碎，將它分解成為組成這個東西的一個個獨立的粒子。然後，你既可以將所有的這些粒子帶走，將它們轉移至你的目的地，也可以從目的地那兒將這些完全一樣、無法區分的粒子轉移到其它地方，準備重組。

當你具備了這些粒子所有完整的信息，你就可以將這些粒子重新組裝起來，用類似「複製粘貼」那樣的方式造出一個和「本尊」一模一樣的新東西。然而不幸的是，我們的世界受到量子力學法則的制約，這讓這一操作在現實生活中變得要複雜很多。我們的宇宙受到一些非常重要、非常基礎的規則的支配，其中一條就是不確定性原理，即任何一個粒子的位置和動量不可同時被確定。你對粒子的位置或是動量測量得越精準，你對另一個參數知道的就越模糊。

這一法則也被稱之為「海森堡測不準原理」，我們不可能同時得知一個粒子的位置和動量信息，更不用提要一次測得所有粒子的位置和動量信息了。如果沒有這些信息的話，我們就不可能知道一個粒子的量子態，這樣看來，要將人進行「瞬移」似乎是不可實現的。

然而，這也正是「量子隔空傳輸」發揮作用的地方。量子隔空傳輸是一個真實存在的物理現象，但它本身實際上並不會傳輸或是瞬移任何粒子，它們真正所能傳輸的其實是不確定量子態的固有信息，而這也正是我們需要傳輸過去的東西。這一過程是通過一對糾纏粒子來實現的。舉個例子，當我們有一對糾纏粒子的時候，將其中一個粒子送到我們的目標位置，我們就可以通過量子隔空傳輸的機制，將你所在位置的量子態信息傳輸到目標位置，這一過程甚至可以在完全不知道，或是完全無法決定你所在位置的量子態信息的情況下進行。

在過去的20多年裡，量子隔空傳輸現象雖然已經被科學界所熟知，並在許多不同的環境下，得到了實驗的驗證，然而它的應用目前卻依然很局限——它只適用於一對粒子；物質無法實現隔空傳輸；光量子的交換需用從源位置傳輸至目標位置；要實現在不丟失信號的情況下，去完成量子隔空傳輸，這受到傳輸距離的限制。

此前，傳輸距離的限制意味著你最遠只能在幾千米的範圍內實現量子隔空傳輸。然而實際上，我們將信息從一個未知量子態傳輸至另一個位置的能力，要遠比我們自己所想象的要大得多。但傳輸距離仍是受限的，以致於我們過去無法保證說信息能被傳輸至一艘太空船。而這也是為什麼我們說這次「將一個粒子從地球隔空傳送到了太空中的一顆衛星中」的這一新突破是如此的重要。

通過建立一個從地球到一顆太空衛星的通道連接，大多數的量子隔空傳輸都是通過一個空蕩蕩的空間實現的，所以它幾乎不會出現信號丟失的情況。當我們具備了足夠數量的光量子，我們就沒有理由不去相信我們能將藏在量子態的終極宏觀組合——活生生的一個人裡面的信息進行編碼，然後傳輸出去。然而不幸的是，具備了能編譯出一個人類的信息和從一堆原始粒子材料中將一個活人構建出來，完全是兩碼事。

以我們目前的科技水平來說，我們要將活人用量子態構建出來是完全不可能實現的。知道一個人的信息狀態，包括組成他的所有粒子的信息是一回事兒，但要重組這個人完全是另外一碼事兒。如果我們足夠幸運的話，藉助量子隔空傳遞技術，一個被傳輸來的單獨粒子的身上可以攜帶足夠的信息，它能告訴你，你想要知道的某個人身上的一個粒子的信息。然而，這一情況如果放大了再去看的話，就會變得非常複雜：

「人腦當中大約有1000億個神經元，它們之間存在著100萬億個聯繫。這就意味著我們需要考慮大約2100,000,000,000,000個可能存在的量子態組合，這一數字甚至要超過我們已知宇宙中所有粒子的總數。」「將一個粒子從地球隔空傳送到了太空中的一顆衛星中」的這一新突破，或許具有很高的應用前景，它或許能使量子計算機的研發取得革命性的突破，並將我們的計算能力提升到一個前所未有的新高度。但如果要把人「瞬移」到其它地方，我們所需要提供的條件可不只是要把一個人的信息編寫進量子態那麼簡單。

如果說我們只需要一定數量的能組成人的「粒子」的話，那麼編寫人的「信息」的問題或許是可以解決的。然而，要從「理論的草圖」里把人給造出來，更不用說目標位置的那個「人造人」是否和源位置處的「本尊」還得是同一個人，這完全就是另一個問題了。如果我們能提出這個問題的解決方法，那「人類瞬移」才有可能從科幻小說的領域裡掙脫出來，成為現實。