量子力学无法挽救过去,但或许能向过去传递信息

物理学
Quantum Mechanics Cannot Save Your Past but It Might Message It
一项新的理论框架表明,量子纠缠或许能让信息跨越时间,尽管从工程实现层面来看,这种可能性目前仍遥不可及。

在马克斯·普朗克量子光学研究所的一间地下实验室里,温度被保持在已知宇宙中比任何地方都更接近绝对零度的水平。在这里,研究人员谈论的不是时间旅行,而是相干时间、纠错,以及“欧洲量子旗舰项目”(European Quantum Flagship)那数十亿欧元路线图中令人痛苦的缓慢进展。然而,一篇近期的理论论文重新点燃了一场争论,这场争论听起来更像是克里斯托弗·诺兰(Christopher Nolan)的剧本,而非德国的工业政策会议:即量子纠缠与黑洞极端物理现象相结合,可能为信息提供一条“时间后向通道”的可能性。

这一前提建立在物理学中两个最令人不安的概念之间的桥梁之上:爱因斯坦-罗森桥(虫洞)与纠缠粒子的非局域联系,这种二元性通常简称为ER=EPR。虽然物理学界长期以来一直将物理层面的时间旅行视为广义相对论中自然界绝不允许存在的数学假象,但量子版本却更为隐晦。它表明,虽然你无法回到过去去阻止一场灾难,但你或许能够将极小、极脆弱的一组量子比特送回过去,以提醒某人。在电影《星际穿越》(Interstellar)的语境下,这就是书架后面的超立方体;而在布鲁塞尔和波恩的语境下,这是一个挑战我们对因果关系和硅基经济基本极限理解的采购噩梦。

因果关系中的后选择漏洞

要理解为什么这个话题突然在严肃圈子里被讨论,必须审视量子后选择(quantum post-selection)的具体机制。在标准量子力学中,你无法以超光速发送信息,因为量子测量的结果本质上是随机的。如果你和我共享一对纠缠光子,我的测量结果会瞬间让我获知你那对光子的信息,但我无法控制我的测量结果来向你发送特定的信号。这就是“无通信定理”(No-Communication Theorem),也是量子物理学尚未颠覆全球电信行业的主要原因。

星际信使问题

当理论家们争论这些回路是宇宙的一种特性还是缺陷时,观测界正忙于搜寻来自太阳系外、可能测试我们对极端物理现象理解的物理信使。近期人们对星际物体3I/ATLAS的痴迷,凸显了我们能建模的事物与我们实际能触及的事物之间的差距。3I/ATLAS于几个月前被发现,它是第三个被证实的来自其他恒星系统的访客,并且已经表现出那种让搜寻地外文明(SETI)界感到兴奋的非引力加速度。

SETI研究所最近的一项分析反驳了关于3I/ATLAS可能是使用异质推进技术的地外探测器的说法。数据表明了一种更平凡但依然引人入胜的解释:氢或其他挥发性物质的喷发充当了天然推进器。这是现代科学中反复出现的紧张关系——在“革命性”解释与“非引力”现实之间的挣扎。如果3I/ATLAS是一个技术产物,它将是检验其母星文明是否掌握了目前理论化阶段的量子后向通道的终极试验台。然而,它看起来只是一个非常孤独、飞行速度极快的岩石,随着对太阳辐射的反应而改变颜色,提醒我们星际旅行目前仍是化学和弹道学的问题,而非虫洞的问题。

布鲁塞尔与量子主权鸿沟

对于欧洲的政策制定者来说,关于量子时间信号的辩论不仅仅是学术活动,更是工业主权的问题。欧盟的EuroQCI(量子通信基础设施)项目目前正投入数百万欧元,以确保欧洲大陆的数据免受未来量子计算机的威胁。如果通过量子纠缠实现“概率性”时间旅行的理论可能性从黑板走进实验室,它将使我们目前对数据安全的理解变得过时。如果对手能够通过后选择进入包含你未来解密密钥的稳定状态,那么安全通信中的“安全”一词将变成一个相对概念。

这正是德国工业视角格外关注的地方。德国在精密制造和低温技术方面的实力,使其成为测试这些理论所需硬件的天然中心。然而,德国联邦教育及研究部(BMBF)向来以保守著称。资助一个甚至暗示“时间旅行”的项目是失去预算的捷径。因此,这项研究通常以“极端引力环境的量子模拟”为幌子进行展示。我们正在建造超立方体,但我们称之为用于半导体测试的高压真空室。

2085年的拦截与规模现实

还有一个能量问题。要创造功能性闭合类时曲线(CTC)所需的时空曲率——即使是在微观尺度上——所需的能量密度也远超大型强子对撞机所能想象的程度。我们讨论的是压缩到质子大小的小月球的质能当量。即使是ER=EPR桥梁最乐观的支持者也承认,我们距离产生这样的场可能还有几个世纪的路程。硬件不存在,目前的欧盟预算周期中没有这笔资金,而且一旦我们从二维模型转向三维现实,物理定律可能仍然禁止这样做。

我们能相信来自未来的信息吗?

如果我们暂时假设后选择的数学计算成立,并且可以发送信息回到过去,我们将面临一个哲学和工程学难题:信噪比。在这些量子模型中,成功的“逆向”信息传输概率往往小得惊人。你可能需要进行万亿次实验才能得到一个稳定的回路。对于21世纪的观察者来说,来自未来的“信息”将无法与量子传感器中的随机波动区分开来。

这又把我们带回了马克斯·普朗克的恒温器。在那工作的工程师们知道宇宙是充满噪声的。如果你观察得太仔细,量子系统就会坍缩,更不用说如果你试图强行将其拖过时空织锦上的孔洞。跨越第四维度进行交流的雄心是人类好奇心的证明,但现实是我们仍在努力弄清楚如何制造一个不会过热的50量子比特处理器。我们正在寻找黑洞里的书架,但我们甚至还没有建好图书馆。

对3I/ATLAS的研究与对量子时间信号的理论探索是同一枚硬币的两面:我们迫切需要找到穿过浩瀚宇宙的捷径。无论是空间的捷径还是时间的捷径,结果都指向同一个结论。大自然愿意为我们展示捷径的数学原理,但它收取的能量和复杂性代价是我们目前无法支付的。欧洲将继续为传感器和恒温器提供资金,理论家们也将继续完善ER=EPR桥梁,但目前,向未来发送信息的唯一方法依然是老派做法:写下来,然后等待。

布鲁塞尔拥有路线图,德国拥有恒温器。但宇宙尚未提供通往现在的出口坡道。

Mattias Risberg

Mattias Risberg

Cologne-based science & technology reporter tracking semiconductors, space policy and data-driven investigations.

University of Cologne (Universität zu Köln) • Cologne, Germany

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Readers Questions Answered

Q “ER=EPR”猜想对引力和量子力学之间的关系意味着什么?
A “ER=EPR”猜想提出了两个复杂物理概念之间的根本联系:爱因斯坦-罗森桥(通常称为虫洞)和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森纠缠。它暗示纠缠粒子通过时空中的微观虫洞相连。如果该猜想被证实,这一对偶性意味着宇宙的几何结构与量子力学的非局域连接是同一现象的两种表现形式,这可能允许通过时空曲率建立理论上的信息通道。
Q 目前科学界对于星际天体 3I/ATLAS 的共识是什么?
A 3I/ATLAS 是第三个被证实的穿过太阳系的星际天体。虽然其非引力加速度引发了关于人工推进或外星技术的猜测,但来自搜寻地外文明研究所(SETI Institute)的最新分析表明其起源是自然的。该物体在受太阳加热时,最可能是因为氢或其他挥发性化学物质的排气而产生推力。这一现象与孤独星际岩石的行为一致,而非功能性外星人造物。
Q 量子后选择(quantum post-selection)在理论上是如何挑战传统因果律的?
A 由于测量结果的随机性,标准量子力学禁止超光速信号传输,这一原理被称为“无通信定理”(No-Communication Theorem)。然而,涉及后选择的理论框架表明,如果对某些量子态进行筛选以确保一致性,可能会出现时间上的反向通道。从理论上讲,这将允许将脆弱的量子比特传输到过去。虽然这在数学上很有趣,但它需要远超现代能力的能量密度,目前仍是物理学家之间激烈争论的主题。
Q 为什么欧盟优先考虑发展 EuroQCI 项目?
A 欧洲量子通信基础设施(EuroQCI)项目是一项旨在实现技术主权并保障欧洲大陆数字数据安全的战略举措。通过构建安全量子网络,欧盟意在保护敏感信息,以应对未来能够破解当前加密技术的量子计算机所带来的威胁。此项工作还解决了理论上的漏洞,例如概率环或量子后向通道,确保欧洲电信网络能够抵御传统及基于量子技术的解密手段。

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