谢谢,还有呀!
量子超光速通信
------ 21世纪的通信技术
高 山
中国电子学会电磁波波速专家工作组
北京昌平区回龙观龙泽苑24-3-501,102208
E-mail: rg@mail.ie.ac.cn;gaoshan.iqm@263.net
[历史回顾]
1864年,麦克斯韦创立了经典的电磁场理论,并预言了电磁波的存在.
1876年,贝尔发明了电话,开创了有线(光速)通信时代.
1886年,赫兹在实验上证实了电磁波的存在.
1895年,马可尼和波波夫独立发明了无线电通信,标志着无线(光速)通信时代的来临.
1905年,爱因斯坦创立了狭义相对论.根据这一理论,比光速更快的物质运动和信息传输都将被禁止.
1925-26年,量子力学诞生,宣告了经典物理学大厦的彻底崩溃.
1935年,爱因斯坦,波多尔斯基和罗森论证了量子力学与相对论之间的不相容性.这一不相容性暗示了如果量
子力学的预言是正确的,那么必然存在超光速影响.
1964年,约翰.贝尔提出了贝尔定理,提供了利用实验来检验超光速影响存在的可能性.
1982年,阿斯派克特等人在实验上证实了超光速影响的存在.
1994年,格林伯格实验初步显示了人脑之间存在超光速影响.
2000年,作者提出了量子超光速通信的实现原理,并发现这一原理与实验迹象之间的可能联系.
2003年,魏克曼实验进一步证实了人脑之间存在超光速影响.
2004年,量子超光速通信理论得到了国际物理学界的承认,进一步的实验验证正在进行中.
自从19世纪末人类进入通信时代以来,人们就一直梦想着一种比光更快的瞬时通信方式.
利用这种通信方式,信息的传递不再通过信息载体(如电磁波)的直接传输来完成,而是通过一种
类似于心灵感应的神秘机制,从而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.幸运的是,今天的科学已经提
供了这种神秘的机制,它就是量子非定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.
存在超光速影响
相对论和量子力学无疑是20世纪物理学最惊心动魄的发现,它们构成了今天的物理学,乃
至整个科学的两大理论基石.它们不仅使人类获得了对自然界的前所未有的深刻理解,同时它
们所引发的技术革命,如激光的发明,电子计算机的出现等等,也深深地改变了人类的生活.
然而,相对论和量子力学却不愿"和睦相处",一方面,相对论禁止任何比光更快的物质运
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.根据量子力学,在相互纠
缠的微观粒子(如电子,光子等)之间存在某种不可思议的超光速关联,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.
这种量子超光速影响有些类似于人们常说的心灵感应,爱因斯坦将它称为"幽灵般的超距
作用",以表示他坚定的不相信态度.然而,大量的科学实验最终判定爱因斯坦的看法是错误的,
它们证实了量子力学的预言,并显示了微观粒子之间的确存在着超光速影响,或者说,微观粒
子之间的确存在着不可思议的"心灵感应".看来,量子力学似乎要违抗相对论.
今天,物理学家们戏谑地将量子力学与相对论的这一不协调性问题称为20世纪末物理学晴
空中的又一朵乌云.2000年初,中国科学院院长路甬祥先生在中国科协学术年会上将这一问题
列为了当代科学所面临的四大难题之首.
寻找超光速通信
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.这方面引人注目的努力来自于美国物理学家赫伯特(N.Herbert),他试图
通过复制光子的状态来破译量子超光速影响所传递的信息.然而,伍特斯(W.K.Wootters)和朱
瑞克(W.H.Zurek)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.
这些证明中一个共同的结论是,在目前的量子力学框架内,单个微观粒子的状态或单粒子
态不可能被完全测知,同时,任意给定的两个非正交的单粒子态也无法区分.于是,通俗地讲,
对于相互纠缠的两个微观粒子,尽管对其中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,但是理论本身却出人意料地禁止我们测量出这种变化.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,恼人的量子随机性将它们完
全掩盖了.
因此,令人遗憾的是,尽管目前的量子力学理论允许超光速影响的存在,它却不能提供一
种实现超光速通信的方法.看来,量子力学似乎又有些敬畏相对论.
量子力学并不完备
然而,所有这些都只是问题的一个方面,因为人们已渐渐认识到目前的量子力学理论并不
是完全正确的,实际上,它是不完备的.
目前的量子理论所存在的最大问题就是测量问题.这一理论并未说明(对微观粒子状态的)
测量结果于何时产生以及如何产生,它只假设测量过程是瞬时的,非连续的,因此目前的量子
理论对物理过程的描述是不完备的,著名的薛定鄂猫佯缪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,人们已意识到测量过程必须被看作是一种独立于观
察者的客观过程.于是,对目前量子力学理论的完善势在必行.实际上,人们已沿这一方向进
行了很多研究,其中最引人注目的进展是GRW理论和引力坍缩猜测的提出.这种新的完备的
量子力学理论一般被称为修正的量子动力学或动态坍缩理论,在这一理论中,瞬时的,非连
续的测量过程被可描述的,动态的连续过程所取代.
那么这一修正的量子动力学理论是否允许量子超光速通信呢 世界各国的科学家们都试图
给出解答,但答案依然隐藏在黑暗中.
发现超光速通信
1992年,英国物理学家斯奎尔斯(E.J.Squires)分析了修正的量子动力学理论与超光速通信
之间的微妙联系,并探讨了利用自我意识功能实现超光速通信的可能性.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实的假设,如波函数坍缩时间的可测性
等.此外,Squires的方法依赖于(由平均坍缩时间表述的)量子超光速通信条件,而他认为这
一条件对于人脑不能满足.由于量子非定域性与相对论的不相容性问题没有解决,物理学家们
普遍认为Squires的分析在相对论领域内是无效的.
最近,我们利用量子运动理论进一步证明了量子超光速通信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.这一方案发表于国际权威的《物理学
基础快报》上.简单地说,我们以纠缠的微观粒子对作为信息载体,将对其中一个粒子的测量
操作编码为量子信息,并利用意识功能来区分另一个粒子的相应的量子态变化,以对超光速传
递的量子信息进行解码,从而实现量子超光速通信.由于特惠洛仑兹参照系的存在,我们的分
析在相对论框架内是有效的.此外,我们的分析更完善地论证了量子超光速通信原理,它不依
赖于量子超光速通信条件以及具体的量子力学解释和理论.这提供了量子超光速通信的本质可
实现性.最后,我们还指出了量子超光速通信原理与已有现象和实验(如人脑通信实验等)之
间的可能联系.因此,我们提供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
方案.
图1 量子超光速通信实现方案示意图
借助意识可以比光更快
利用意识来实现量子超光速通信听起来的确有点不寻常,毕竟在通信领域中人们一直只与
物质打交道.但也许这是一件非常自然的事情,因为只有意识才能最终识别通信的内容,否则
通信将失去它的意义;同时,意识的直接参与也的确可以使人们获得更多的关于微观粒子的状
态信息,这些信息可以用来区分两个给定的微观粒子状态,从而实现超光速通信.这些是普通
物质测量仪器所无法做到的.此外,意识参与实现量子超光速通信似乎预示了更加先进的技术
与仪器将需要意识本身的直接参与,而不只是通过具有意识的人来设计,这一思想将对未来技
术的发展产生深远的影响.
当然,用于实现量子超光速通信的意识不必是什么高级的逻辑推理和艺术鉴赏等等,而只
是基本的自我意识能力.
人脑超光速通信
目前,科学家们已经进行了一些实验来证明人脑之间存在量子超光速影响,其中比较严格
的实验是由格林伯格-泽伯鲍姆(Grinberg-Zylberbaum)等人于1994年完成的.
在这一实验中,两个实验者互相认识之后被分别关在相距14.5 米的封闭的法拉第室(这一
装置用于屏蔽电磁波)中,他们的脑电图(EEG)通过仪器被记录下来.其中一个实验者接受
100个闪光的刺激,在实验中科学家们发现,当这个实验者在刺激中显示出特别的激发势(DEP)
时,另一个未受刺激的实验者也显示出类似于这一激发势的转移势(TP),并且双方都感觉到他
们之间相互联系的成功结束.由于实验者通过法拉第室相互隔离,这一实验排除了生物场的影
响,因此严格地证明了实验者之间相互关联和影响的量子超光速特征.
最近,魏克曼等人进一步从实验上证实了人脑之间存在超光速影响.这一实验结果发表于
具有权威性的《神经科学快报》上.利用量子超光速通信原理可以初步解释这些实验,同时也
显示了在这些实验中,实验者之间已经实现了最初级的人脑超光速通信.
走近超光速通信
量子超光速通信的实现将是人类通信技术领域的又一次革命,并将深远地改变人类传统的
通信方式和通信手段,尤其是它将为人类进入太空提供更加成熟的条件.另一方面,实现量子
超光速通信的重要意义还在于它将对今天的科学理论,尤其是物理学理论的发展产生巨大的影
响.实际上,量子超光速通信的实现将有助于最终解决当今物理学中的一个最大难题,即量子
力学与相对论的相容性问题.
与传统光速通信(如有线通信,无线通信等)相比,量子超光速通信具有许多人们梦寐以
求的优点.首先,量子超光速通信的线路时延可以为零,并且与通信双方之间的距离无关,从
而它是最快的通信方式;其次,量子超光速通信的信息传递可以不通过通信双方之间的空间,
从而使通信丝毫不受通信双方之间空间环境的影响,即它是完全抗干扰的;第三,量子超光速
通信可以使第三方无法进行干扰和窃听,信息载体完全可以只保存于信息的收发双方处,因此
它是保密性最强的通信方式;最后,量子超光速通信是完全绿色的,它不存在任何电磁辐射污
染.
当然,量子超光速通信的最终实现需要量子技术,生物技术和通信技术的紧密结合.从长
远观点来看,为了使量子超光速通信实用化,必须对人脑的意识感知过程进行深入的研究,以
发现意识感知功能的处理单元,并进一步理解意识感知的机理.在此基础上,可以研发更先进
的意识感知模拟技术,并借助于生物芯片技术的发展,将人脑的意识感知功能集成于一块微小
的生物芯片中,从而研制出真正的量子超光速通信产品.
未来通信一瞥
地球是人类的摇篮,生活于其中人们非常幸福,也非常幸运.由于地球的尺寸相对于光速
来说很小,人们可以方便地利用光速通信手段(如电话,手机等)进行相互交流,而不会感觉
到光速所带来的有限时延,譬如,对于从中国到美国的长途电话,由光速所引入的时延一般只
有0.1秒级.设想一下,如果人类生活在一个比地球半径大100倍的星球上,那么现有光速通
信的最大线路时延将会达到10秒左右.例如,你和远在星球另一侧的朋友通话,那么每次交流
你都必须耐心等待20秒后才能听到他的回话.
然而,人类不能永远生活在摇篮中.一旦人们离开地球去探索广遨的宇宙空间,光速通信
的局限性便立刻显露出来.例如,如果宇宙飞船到达距地球4光年的其他星球,它与地球之间
的无线(光速)通信便存在8年之久的时延,此时通信将基本上失去意义.因此,如果生活在
太空时代,我们会很自然地相信超光速通信的存在,并且会非常急切地期待它的实现.宇宙不
会让人类孤独,人类也不愿孤独.
现在,我们可以插上想象的翅膀,为未来的通信时代勾勒一幅你自己的图画.那时,传统
的有线和无线通信将成为人们的回忆,而超光速通信将成为通信技术的主角.利用超光速通信,
空间距离不再成为通信的障碍,人们可以在相距任意遥远的地方进行实时交谈.同时,未来的
超光速通信将是实时的,完全保密的,抗干扰的和绿色的.人们甚至可以设想将生物芯片植入
大脑,实现真正的人脑超光速通信!这些并不是不可企及的梦想,科学也许在未来的二,三十
年里就会带我们走进这样神奇的超光速通信时代.让我们共同努力,共同期盼吧!
------ 本文部分内容选自作者最近出版的高级科普读物《量子》(清华版)
[作者简介]
高山(1971-) 毕业于中国科学院电子学研究所,超光速通信研究专家,量子哲学研究者,中
国电子学会电磁波波速专家工作组委员.长期从事量子理论基础,相对论基础,量子超光速通
信,量子意识等问题的研究.著有《量子运动与超光速通信》,《量子》(清华版)等,发表多篇
研究论文和科普文章. |
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