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第5章 4.隱形傳送

不可思議的物理 加来道雄 11367 2018-03-20
隱形傳送,或者說把一個人或一個物體從一個地點瞬間運送到另一個地點的能力,是一種可以改變文明進程和改變國家命運的技術。它將不可逆轉地改變戰爭規則:軍方可以把部隊隱形傳送到敵軍陣線後面,或者簡單地將敵方領導人員隱形傳送並俘獲他們。今天的交通運輸系統——從汽車和船隻到飛機和鐵路,以及所有為這些系統服務的大量行業——都不會再被使用。我們可以簡單地將自己隱形傳送去上班,並且將我們的貨物隱形傳送去市場上銷售。度假將變得毫不費力,因為我們可以把自己隱形傳送到目的地。隱形傳送將會改變一切。 最早提及隱形傳送的文字,可以在宗教文字比如《聖經》中找到,在那裡,神靈匆匆將人帶走。這段來自《新約》(New Testament)《使徒行傳》(Acts)的文字似乎暗示著來自迦薩(Gaza)的腓利(Philip)到亞鎖都(Azotus)的隱形傳送:“當他們從水中現身,天主突然將腓力帶走,閹人沒有再見到他,而是繼續歡樂地趕路。然而,腓力在亞鎖都現身,四處遊歷,在所有的城鎮佈道福音,直到他到達撒利亞(Caesarea)”(《新約》 8∶36-40)。

隱形傳送也是每個魔術師戲法和幻術的一部分:從一頂帽子里拉出一隻兔子,撲克牌從他(她)的袖子裡出現,從某個人的耳朵後面取出硬幣。近代最為宏大的魔術之一是讓大像從驚詫不已的觀眾面前消失。在這一表演中,一頭好幾噸重的巨像被關在一個籠子裡。然後,隨著一根魔術棒的輕擊,大象消失了,使觀眾們大為吃驚。 (當然,大像其實並未消失。魔術是使用鏡子表演的。長條、細薄、直立的條狀鏡子被放在籠子的每一根鐵條後。就像一扇門一樣,這些條形鏡子的每一根都可以旋轉。在魔術開始的時候,當所有這些直立條形鏡子被整齊放置在鐵條後面,鏡子是無法被看見的,大象則可見。但當這些鏡子被旋轉45度面向觀眾,大象就會消失,留下觀眾們對著從籠子一邊反射出來的影像乾瞪眼。)

科幻小說最早提及隱形傳送是在愛德華·佩奇·米切爾(Edward Page Mitchell)於1977年出版的小說《沒有身體的人》(A Man without a Body)中。在這部小說裡,一位科學家能夠將一隻貓的原子拆開,並且通過一根電報線傳送。不幸的是,在科學家試圖傳送自己的時候電池用盡了,只有他的頭被成功地傳送了。 亞瑟·柯南·道爾(Arthur Conan Doyle)爵士因為他的《夏洛克·福爾摩斯》(Sherlock Holmes)系列小說而知名,他對隱形傳送的概念著迷得神魂顛倒。在年復一年地寫作偵探小說和短篇小說後,他開始對《夏洛克·福爾摩斯》系列感到厭倦,並且最終殺死了他的偵探,讓他與莫里亞蒂教授一起跌落瀑布赴死。可是公眾的抗議是如此高漲,柯南·道爾被迫讓神探復活了。由於不能殺死夏洛克·福爾摩斯,柯南·道爾轉而決定創造一個全新的系列,主角是查林杰教授(Professor Challenger),福爾摩斯的同行。兩者都具備解開謎團的敏捷智慧和銳利雙眼。但福爾摩斯使用冷靜、偵探式的邏輯破解複雜的案件;查林杰教授探索精神力量與超常現象的黑暗世界,包括隱形傳送。在1927年的小說《分解機器》(The Disintegration Machine)中,教授遇到了一位紳士,他發明了一台可以把一個人分解後重新在其他地方裝配起來的機器。但是當發明者自誇他的機器要是落入了壞人手中,可以僅按一下按鈕就分解有著幾百萬人的城市時,查林杰教授感覺非常驚懼。後來查林杰教授使用機器分解了發明者,隨後離開了試驗室,沒有再把他裝配起來。

更近一些的時候,好萊塢發現了隱形傳送。 1958年的電影(The Fly),生動地審視了當隱形傳送發生可怕錯誤時會發生的事。當一位科學家成功地把自己從一個房間的一頭傳送到另一頭,他的原子和一隻偶然進入傳送室的蒼蠅的原子混到了一起,因此科學家變成了變異的可怖怪物,半人半蠅(一部由傑夫·戈德布拉姆[Jeff Goldblum]主演的重拍版本在1986年推出)。 隱形傳送隨著《星艦迷航》系列的播映首次在流行文化中為人矚目。 《星艦迷航》的締造者吉恩·羅頓巴里(Gene Roddenberry)把隱形傳送引入了這一系列,因為派拉蒙工作室(Paramount Studio)的預算負擔不起模擬太空船在遙遠星球上起飛和降落所需的昂貴特效。簡單地把“企業號”的船員們傳送到他們的目的地花費比較低廉。

許多年來,科學家們提出了不知多少對於隱形傳送可能存在的反對意見。要隱形傳送一個人必須知道一具活體中每一個原子的精確位置,這可能違反了海森堡測不准原理(這一原理陳述了我們無法得知一個電子的確切位置和動量)。 《星艦迷航》的製作人順從批評者們,在傳送室裡引進了“海森堡補償器”,就像我們在傳送器上加一個小器具就能補償量子物理定律似的。但正如事實證明的那樣,創造這些海森堡補償器的必須性還遠未成熟。早先的批評者和科學家們或許是錯了。 根據牛頓的理論,隱形傳送無疑是不可能成立的。牛頓的定律建立在物質由微型、堅硬的彈球組成這一觀點的基礎上。物體不被施加外力就不會移動;物體不會突然消失和在他處重新出現。 但在量子理論中,那恰恰是微粒可以做到的事情。居於絕對統治地位250年的牛頓定律在1925年被推翻,韋納·海森堡、埃爾文·薛定諤和他們的同事們發展出了量子理論。在分析原子的怪異屬性時,物理學家們發現電子像波一樣運動,而且它們可以在原子內看似無序的運動中作出量子躍遷(quantum leap)。

與這些量子波聯繫最密切的人是維也納出生的物理學家埃爾文·薛定諤,他寫下了以他名字命名的著名波動方程,物理學和化學領域中最重要的方程式之一。物理學研究生階段的全部課程都致力於解答他著名的方程式,物理學圖書館的牆整面都擺滿了檢驗其深遠影響的著作。原則上,化學的全部內容可以歸納為對這一方程的解答。 在1905年,愛因斯坦證明光波具備粒子的性質,也就是說,它們可以被描述為名叫光子(photon)的能量包(packet of energy)。但是到20世紀20年代,薛定諤越來越覺得反過來也是正確的:像電子這樣的粒子可以表現出波的行為。這一假想首先由法國物理學家路易·德布羅意(Louis de Broglie)提出,他因這一推測贏得了諾貝爾獎(在大學,我們向本科生論證這一點。我們在一個陰極射線管——比如通常能在電視機裡找到的那些——裡麵點燃電子。電子穿過一個微小的洞,所以通常你可以看到一個電子撞擊電視機屏幕留下的小點,而不是如你以為的那樣,當一股波——而非一個點狀微粒,穿過一個洞會留下同心的波狀環)。

有一天,薛定諤就這一奇特現像作了一個講座。他受到了一位物理學家同行彼得·德拜(Peter Debye)的挑戰,他問薛定諤:如果電子是用波來描述的,那麼它們的波動方程是什麼? 自從牛頓創造了微積分,物理學家們得以用微分方程描述波,因此薛定諤將德拜的問題——寫出微分方程當成一項挑戰。那個月薛定諤外出度假,當回來的時候他已經寫出了方程。正如在他之前的麥克斯韋採用法拉第的力場,提煉出了光的麥克斯韋方程;薛定諤採用德布羅意的物質波,提煉出了光子的薛定諤方程。 (科學史家們作了些努力,試圖搜索出薛定諤發現永久改變現代物理學和化學面貌的方程時究竟做了什麼。顯然,薛定諤是自由之愛的信奉者,並且一直由情人們或者他的妻子陪伴著度假。他甚至保留有一份關於他所有為數眾多的情人們的詳細日記存檔,對每一次相會都精心作了編碼。歷史學家現在認為,在他發現方程的那個星期,他與他的一位女友住在阿爾卑斯山的赫維格別墅。)

當薛定諤開始解決氫原子的方程時,他相當吃驚地發現氫的確切能級已經被前輩物理學家仔細地編寫了下來。他隨即意識到,尼爾斯·玻爾顯示電子繞著原子核高速運動的舊原子結構圖(甚至今天在需要標示現代科學的時候它仍被使用在書本和廣告中)其實是錯誤的。軌道應該用包圍原子核的波來代替。 薛定諤的工作成果還給物理學界帶來了衝擊波。突然間物理學家得以仔細觀看原子自身內部,細緻觀察組成其電子殼的波,並且為這些能級選出完美符合其數據的精確預測。 但仍有一個甚至今天還時常困擾物理學家的煩人問題。如果電子可以用一種波來描述,那波動是什麼樣的?這已經被物理學家麥克斯·玻恩(Max Born)解答了,他說這些波其實是機率波(wave of probability)。這些波只是告訴你在任意地點和任意時刻找到某個特定電子的可能性。換言之,電子是一種粒子,但找到那個粒子的概率由薛定諤的波提供。波越大,在那一點找到特定粒子的可能性越大。

有了這些進展,突然間偶然性和概率被直接引入了物理學的核心,它們先前已經給我們帶來粒子的精確預測和詳細軌跡,從行星到彗星到砲彈。 這一不確定性最終在海森堡提出測不准原理的時候被他制定為規則,也就是你不可能同時既知道一個電子準確的速度又知道它的位置,你同樣不可能知道特定時間中測量出的它的確切能量。在量子水平,一切的基本定律常識都遭到了違反:電子會消失,並在他處重新出現,而且電子可以在同一時刻存在於許多位置上。 (具有諷刺意味的是,量子理論的教父、在1905年協助促成革命開始的愛因斯坦,還有薛定諤——給予了我們波動方程的人,對於將偶然性引入基礎物理學感到驚恐萬分。愛因斯坦寫道:“量子力學急需獲得高度尊重。但一些來自內部的聲音告訴我們這不是真正的雅各布。這一理論貢獻良多,但它幾乎一點也沒有讓我們更加靠近上帝的秘密。就我來說,至少,我確信他不玩骰子。”)

海森堡的理論是革命性的,也是廣受爭議的——但它起了作用。物理學家們得以一下子解釋大量令人不解的現象,包括化學的定律。為了讓我的博士生們深刻了解量子理論是多麼古怪,我有時讓他們計算他們的原子會突然消散並且在磚牆另一邊突然出現的概率。這樣的隱形傳送事件在牛頓物理學中是不可能的,但在量子力學範疇中確實被允許。答案是,我們必須等待比宇宙的壽命更長的光陰好讓它發生(如果你用一台電腦繪出你自己身體的薛定諤波,你會發現它與你的身體特徵非常相像,只是繪出的曲線會有點模糊,你的一些波向四面八方流出,你的一些波甚至會延伸到遙遠的星體上。因此有那麼個很小的概率,有一天你會發現自己在一顆遙遠的星球上醒來)。 電子看來可以在同一時刻處於許多位置,這一事實構成了化學的根基。我們知道電子圍繞一個原子的原子核運轉,就像一個微型太陽系。但是原子和太陽係不盡相同。如果兩個太陽系在太空中相互衝突,那麼太陽系會支離破碎,星體們會被拋擲到太空深處。然而,當原子發生衝突,它們通常會組成極為穩定的分子,分享它們之間的電子。在高中化學課堂上,老師通常會用一個與足球非常相似、把兩個原子聯繫在一起的“彌散電子”來代表它。

但化學老師很少告訴他們學生的是,電子根本就不在兩個原子之間“彌散”。這個“足球”實際上演示了在足球內部電子在同一時刻位於許多方位上。換句話說,所有解釋我們體內分子的化學,是建立在電子可以在同一時刻位於許多位置上,並且正是兩個原子間的電子共享把我們身體的分子結合在一起這個概念上。沒有量子理論,我們體內的分子和原子會立刻解體。 量子理論這一獨特但深遠的性質(在有限的概率內,甚至連最最怪異的事件也有可能發生)被道格拉斯·亞當斯(Douglas Adams)在他引人入勝的小說(The Hichhiker's Guide to the Galaxy)中採用。他需要一種便利的方式高速穿過銀河系,所以他發明了“無限不可能發動機”(Infinite Improbability Drive),“一種在幾乎零秒內穿過遙遠星際距離的全新絕妙方法,免於在超空間內令人厭煩地虛擲時光”。他的機器使你得以任意改變任何量子事件的概率,因而哪怕是極不可能的事件也成了老生常談。所以,如果你想要火速前往最近的星系,僅僅需要改變你在那個星系上重新實體化的概率即可。然後,瞧,你會被即刻傳送到那裡! 在現實中,在原子中如此普遍的量子“躍遷”無法被簡單地普及到大型物體上,比如說含有上萬億個原子的人。儘管我們體內的電子在它們環遊原子核的美妙旅程中舞動著、跳躍著,但它們的數量如此之多,以至於它們的運動相互抵消了。粗略而言,那就是為什麼在我們的水平上物質看起來是固體的和穩定的。 所以,雖然隱形傳送在原子水平上是可以發生的,但我們必須等待比宇宙的壽命更長的光陰才能真的見證宏觀水平上發生的這些奇特效應。一個人是否可以使用量子理論定律來製造出一台機器以根據需要來傳送東西,就像在科幻小說中那樣?令人吃驚的是,答案是一個有所保留的“是”。 量子隱形傳送的關鍵在於一份1935年由阿爾伯特·愛因斯坦和他的同事波爾斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)及奈森·羅森(Nathan Rosen)完成的論文。他們具有諷刺意味地提出了EPR實驗(以三位作者的名字命名)來最後一次阻止將偶然性引入物理學。 (愛因斯坦對量子理論在實驗上不可否認的成功感到悲傷,他寫道:“量子理論越是成功,看起來就越愚蠢。”) 如果兩個電子最初是一致地振動的(一種稱為“相干”的狀態),它們可以保持波狀一致,哪怕它們被分隔開了很遠的距離。儘管兩個電子之間的距離可能要以光年計,仍然有一個看不見的薛定諤波聯繫著它們兩者,就像是一根臍帶。如果一個電子發生了什麼,那這一信息中有一部分會立刻傳送到另一個電子。這被稱為“量子糾纏”(quantum entanglement),即相干地振動的粒子之間有某種深層次聯繫將它們連接在一起。 讓我們從兩個一致擺動的相干電子開始。隨後,讓它們以相反的方向飛出去。每個電子就像一個陀螺。每個電子的自旋都可以加強或減弱。讓我們假設整個系統的自旋為零,因此如果一個電子的自旋增強,你就自然知道另一個電子的自旋減弱了。根據量子原理,在你作出一個測量之前,電子的自旋既不增強也不減弱,而是以一種同步增強或減弱自轉的狀態存在(一旦你做了觀測,波動功能就“崩潰”,使一個粒子停留在有限狀態裡)。 其次,測量一個電子的自旋。假設它在加快自旋,則你立刻就知曉另一個電子的自旋在減慢。就算兩個電子被分隔開許多光年,只要通過測量第一個電子就會立即得知第二個電子的自旋。事實上,你以比光速更快的速度得知了這一信息!因為這兩個電子是“糾纏的”,就是說,它們的波函數一致地搏動,它們的波函數被一股看不見的“細線”或“臍帶”連接在一起。在其中一個電子上發生的任何情況都會自動在另一個電子上產生影響(這意味著,在某些意義上,在我們身上發生的任何情況都會自動即時影響在遙遠的宇宙角落裡的事物。因為我們的波函數可能在時間的初始就糾纏在了一起。在某些意義上,有一張糾纏的網絡將宇宙的各個遙遠角落聯繫在一起,包括我們自己)。愛因斯坦嘲諷地把這叫做“鬼魅般的超距作用”,這一現象使他得以“證明”量子理論是錯誤的,因為在他看來,沒有事物可以移動得比光速更快。 起初,愛因斯坦設計了EPR實驗作為量子理論的喪鐘。在20世紀80年代,法國的艾倫·阿斯佩克特(Alan Aspect)和他的同事使用兩個分開13米的探測器進行了這個實驗,測量從鈣原子中放出的光子的自旋,實驗結果與量子理論精確吻合。顯然,上帝的確會在宇宙裡投骰子。 信息真的比光傳送得更快嗎?在光速是宇宙的速度極限這一點上,愛因斯坦錯了嗎?不完全是。信息的確比光速傳送得更快,但信息是隨機的,因此是無用的。你不能通過EPR實驗傳送一條真正的消息或者莫爾斯密碼,哪怕信息傳送得比光速更快。 知道在宇宙另一端的一個電子正在減緩自旋是一條無用的信息。你不能通過這一方法傳送今天的股票行情。舉例來說,讓我們假設一位朋友總是穿一隻紅襪子和一隻綠襪子,次序隨機。假設你查看他的一隻腳,那隻腳上穿著一隻紅襪子,那麼你就知道——比光速更快地知道,另一隻襪子是綠色的。信息的確比光傳送得更快,但這一信息是無用的。不包含非隨機信息的訊號可以用這種方式送出。 多年來,EPR實驗被作為量子理論戰勝它的批評者們大獲全勝的例子,但那是一個沒有真正價值的勝利,直到現在也不具備實際影響。 一切都在1993年改變了。由查爾斯·班奈特(Charles Bennett)領導的IBM的科學家們用EPR實驗證實在物理學上隱形傳送物體是可能的,至少在原子水平上如此(更確切地說,他們證明你可以隱形傳送一個粒子內含有的所有信息)。從此,物理學家們已經可以傳送光子,甚至整個銫原子。在幾十年內,科學家們或許能傳送第一個DNA分子和病毒。 量子隱形傳送開發了某些EPR實驗更為奇特的性質。在這些傳送實驗中,物理學家從兩個原子A和C開始。假設我們希望把信息從原子A傳送到原子C。我們從引入第三個原子——B,開始入手,它開始時與C糾纏,所以B和C是相干的。現在原子A開始與原子B建立聯繫。 A掃描B,這樣一來原子A的信息內容就轉移到了原子B。 A和B在聯繫過程中變得糾纏。但由於B和C是最初糾纏的,A之中的信息現在已經被轉移到了原子C。最後,原子A現在已經被傳送成了原子C,就是說,A的信息內容現在與C的完全相同。 注意,原子A內的信息已經被銷毀(這樣在傳送後不會有兩份副本)。這意味著任何假設被傳送的人都會在這個過程中死亡。但他身體的信息內容會出現在別處。同樣注意,原子A沒有移動到原子C的位置。相反,是A中的信息(比如,它的自旋和極化)被轉移到了C(這不表示原子A解體,隨後迅速移動到另一個位置,而表示原子A的信息內容已經轉移到了另一個原子——C上)。 從這一突破最早宣布開始,取得進步的競爭就變得激烈了。因為不同的小組都試圖勝過彼此。在第一次量子隱形傳送的歷史性演示中,紫外線光的光子被傳送,它於1997年在茵斯布魯克大學(University of Innsbruck)進行。緊接著進行這一實驗的是次年加州理工學院的實驗,他們進行了一個涉及傳送光子的更為精確的實驗。 在2004年,維也納大學(University of Vienna)的物理學家成功使用一根光纖電纜在多瑙河底將光的粒子傳送了600米,創下了一個新紀錄(電纜本身長800米,被懸在多瑙河下的公共下水道系統下方。發送者站在河的一邊,接收者在另一邊)。 這些實驗受到了一種非難:它們是使用光的光子進行的,這幾乎就不是科幻小說裡的題材了。因此,2004年的量子隱形傳送使用真正的原子而非光的光子來進行證明就顯得非常重要,使我們又向更為實際的隱形傳送裝置靠近了一步。華盛頓國家標準和技術研究所(National Institute of Standards and Technology)的物理學家們成功地將三個鈹原子糾纏在一起,並且將其中一個原子的性質轉移到了另一個里。這項成就非常重要,以至於它上了《自然》(Nature)雜誌的封面。另一個小組還成功傳送了鈣原子。 2006年,另一項更為出色的進展達成了,第一次涉及了一個宏觀物體。哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所(Niels Bohr Institute)和德國馬克斯·普朗克研究所(Max Plank Institute)的物理學家成功將一道光線與一股銫原子氣體糾纏,這是一項涉及上萬億上萬億原子的成就。隨後,他們將激光脈衝內包含的信息進行編碼,並成功地把這一信息傳送過大約半碼距離,傳到了銫原子上。 “有史以來第一次,”尤金·波爾齊克(Eugene Polzik)——研究者之一說,“量子隱形傳送在光——信息的載體和原子之間實現。” 隱形傳送的進展在飛快地加速。 2007年實現了另一個突破。物理學家們提出了一種不要求糾纏的隱形傳送。糾纏態是量子隱形傳送唯一最為困難的特點,解決這一問題能為隱形傳送開啟新的前景。 “我們是在談論一束約5 000個粒子從一處消失,然後在其他一個地方出現。”澳大利亞布里斯班的澳大利亞研究理事會量子光學卓越研究中心(Australian Research Council Centre of Excellence for Quantum Atom Optics)的物理學家阿斯頓·布拉德利(Aston Bradley)說,他著力開闢了一種新的隱形傳送方式。 “我們覺得自己的方案與最初的小說般概念的精神更為貼近。”他宣布。在他們的方法中,他和他的同事使用了一束銣原子,將它的全部信息傳到一束光線中,再將這束光傳送過一根光纖電纜,隨後在遠處一個地點重建最初的原子束。如果他的陳述能成立,這一方法將清除隱形傳送的頭號絆腳石,並且為傳送越來越大的物件開闢全新的道路。 為了將這種新方法與量子隱形傳送區別開來,布拉德利博士已經把他的方法命名為“古典隱形傳送”(這有一點歧義,因為他的方法也非常倚重量子理論,但不依靠糾纏態)。 這一小說式的隱形傳送的關鍵是一種新的物質形態,稱作玻色—愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensate),或BEC,是整個宇宙中最冷的物質之一。自然界中,最低的溫度是在外太空中被發現的,絕對零度以上3k(這是由大爆炸留下的殘熱引起的,它仍舊充滿了宇宙)。但一塊BEC是絕對零度以上百萬分之一度到十億分之一度,這是只有在試驗室裡才能找到的溫度。 當某些形式的物質被冷卻到絕對零度附近的溫度,它們的原子會全部急劇下降到最低能態,這樣一來它們的全部原子都在一致中振動,變得相干。所有原子的波函數重疊,以至於從某些意義上來說,一塊BEC就像一個其所有原子一致地振動的巨大“超級原子”。這一物質的奇特狀態被愛因斯坦和薩地揚德拉·玻色(Satyendranath Bose)在1925年預測到了,但是到1995年才最終在麻省理工學院(MIT)和科羅拉多大學(University of Colorado)被製造出來,整整過去了70個年頭。 以下講述布拉德利和他的同伴的隱形傳送裝置如何作用。首先,他們從一組BEC狀態的超低溫銣原子開始,隨後使一束物質接觸BEC(同樣由銣原子組成)。這些物質束中的原子同樣希望驟降到最低能態,所以它們把過剩的能量以脈衝光的形式洩出。這一光束隨即被送入一根光纖電纜。值得注意的是,這一光束包含全部描述初始物質束所必需的量子信息(比如,其全部原子的位置和運動速度)。然後,光束撞擊另一個BEC,它隨即將光束轉變為初始的物質束。 這一新的隱形傳送方式具備廣闊的前景,因為它不涉及原子的糾纏。但是這一方法同樣有它的問題。它極度依賴BEC的性質,而BEC難以在試驗室中製造。此外,BEC的性質非常獨特,因為它們表現得好像是一顆巨大的原子。原則上,我們只能在原子水平見到的奇異量子效應可以使用肉眼在一個BEC中見到。這曾被認為是不可能的。 BEC的直接實際應用是製造“原子激光”。理所當然,激光存在於共振的光子組成的相干光束基礎上。但一個BEC是共振的原子的集合,因此可能製造出完全相干的BEC原子束。換言之,一個BEC可以製造出激光的類似物——原子激光或物質激光,由BEC原子組成。激光的商業應用是巨大的,原子激光的商業應用同樣具有深遠意義。但由於BEC只存在於絕對零度上浮動的溫度下,這一領域的進展儘管穩定但會緩慢。 有了這一迅速的進展,我們何時有可能傳送我們自己呢?物理學家們希望在明年能夠傳送複雜的分子。在那之後,DNA分子甚至一個病毒或許可以在幾十年之內被傳送。理論上沒有任何事物禁止傳送一個真正的人——就像在科幻電影中那樣。但是這一偉大成就所面臨的技術問題確實非常棘手。必須有一些世界上最好的物理試驗室被用於僅僅在微小的光的光子和單個原子之間創造相干性。製造涉及真正宏觀物體——比如人的量子相干性,無疑需要很長時間才能實現。實際上,要讓每個物體都可以傳送,還需要花上許多個世紀,或者更長時間——如果這真的可能實現的話。 最後,量子隱形傳送的命運與量子計算機發展的命運緊緊地聯繫在了一起。兩者使用同樣的量子物理學和技術,因此這兩個領域之間有高度的相互獲益關係。量子計算機有一天或許會替代我們書桌上的熟悉的數字計算機。事實上,世界經濟的未來有一天或許會仰仗這樣的計算機,因此這些技術有巨大的商業利益。有一天矽谷可能會變成“銹帶”,被來自量子計算機學的新技術所取代。 普通的數字計算機在0和1的二進制系統上運行,稱為“比特”(bit)。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子位(qubit)上運算,可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子,它像陀螺一樣旋轉,於是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。常識告訴,我們原子的旋轉可能向上也可能向下,但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中,原子被描述為兩種狀態的總和,一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中,每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述(如果是大型物體,例如貓,用這種量子的方式進行描述,那意味著你不得不將一隻活貓的波函數與一隻死貓的波函數相加,這樣貓就既不死去也不活著——正如我在第13章中將更為詳細地探討的那樣)。 現在,想像一串原子排列在一個磁場中,以相同的方式旋轉。如果一束激光照射在這串原子上方,激光束會躍下這組原子,迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異,我們已經完成了一次復雜的量子“計算”,涉及了許多自旋的快速移動。 量子計算機還處於襁褓之中。量子計算機的世界紀錄是3×5=15,算不上擁有一種能取代今天的超級計算機的計算能力。量子隱形傳送和量子計算機兩者都存在同樣的缺陷:需要維持大量原子的相干性。如果這一問題可以解決,那麼對兩個領域都是一項重大突破。 CIA和其他秘密組織對量子計算機極為感興趣。世界上的許多密碼都依靠一個“密鑰”,那是一個非常大的整數,而需要做的是將它分解因數為質數。如果密鑰是兩個各有100位的數的產物,那麼一台數字計算機或許要花上100多年來從零開始找出這兩個因數。這樣一個密碼目前基本上是無法破譯的。 但是,在1994年,貝爾實驗室(Bell Labs)的彼得·秀爾(Peter Shor)證明,將這樣的數字分解因數對量子計算機來說可謂小菜一碟。這一發現立刻傷害了智能團體的利益。原則上一台量子計算機可以破譯世界上所有的編碼,將當今計算機系統的安全性推入徹底的無序中。首個成功建立這樣一個系統的國家將得以破解其他國家和組織最深層的秘密。 某些科學家已經推測,未來世界經濟將依靠量子計算機。以矽為構架的數字計算機被認為將在2020年後的某個時候達到它們計算能力升級上的物理極限。一種新的、更強大的計算機家族或許會成為必須——如果科技將繼續前進的話。另一些科學家正在探索通過量子計算機複製人腦智能的可能性。 然而,這樣做需要押非常高的賭注。如果我們能解決相干性的問題,我們不僅能夠解決隱形傳送的挑戰,或許還能用過量子計算機以未知的方式擁有各種各樣推動科技發展的能力。這一突破非常重要,我將在後面的章節中回過頭來進行這一討論。 就如我早年指出的,相干性在實驗室中極難維持。最微小的振動也會擾亂兩個原子的相干,並且毀壞計算過程。目前我們很難維持僅僅是少量原子的相干性。最初同步的原子會在1毫微秒、最多1秒之內開始消相干。傳送必須非常迅速地完成,趕在原子開始消相干之前,這樣便為量子計算機和隱形傳送造成了其他的限制。 儘管有這些挑戰,牛津大學的大衛·多伊奇(David Deutsch)還是相信這些問題可以克服:“憑著運氣,憑著近期理論進步的協助,一台量子計算機或許能在遠遠少於50年的時間內製造成功……那將是一種全新的利用自然的方法。” 要製造一台有用的量子計算機,我們需要使數百到數百萬原子一致地振動,這是一項遠遠超出我們目前能力的挑戰。傳送柯克船長會是極度艱鉅的,我們不得在一對柯克船長之間製造一個量子糾纏。即便有了納米科技和先進的計算機,也很難想像這將如何實現。 因此,隱形傳送還只存在於原子水平,我們或許終將在幾十年內傳送複雜的分子、甚至是有機分子。但是要實現一件大型物體的傳送,將必須等上幾十年到幾百年,或者更久——如果它的確可能的話。因此,傳送複雜分子,也許甚至是一個病毒或一個活細胞,符合“一等不可思議”的要求,應該會在本世紀之內成為可能。但是傳送人類,雖然被物理定律所允許,或許也要在那之後花上好幾百年——假設它真的可能。因此,我將那種類型的隱形傳送定義為“二等不可思議”。
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