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几率波量子雷达/反事实量子通信

物理学中有哪些不可思议(违背直觉)的事实? - 知乎

利用粒子的双缝干涉原理,可以在物体偏离的情况下,探测到物体。

我们不需要用光子照射物体,就能感知到是否有物体存在。

这是什么意思?

这就等于说,我们居然可以用「不存在的概率波」,去探测现实物体!

而且这还并不是脑洞开出的幻想,这就是目前还在理论中的「几率波量子雷达」的基本原理。

为方便大家理解,先说说「反事实量子通信」实验。

这个名词听起来就十分具有神秘的科幻感。

这个实验,甚至可以说是量子领域的最不可思议的实验之一,号称是展现神迹的量子实验。

在道格拉斯·亚当斯写的科幻小说《银河系漫游指南》中,有一艘神奇的飞船叫「黄金之心」号,那艘飞船用的引擎叫做「无限非概率驱动」引擎。

我一直觉得这个名字的创意和反事实通信两者有异曲同工之妙。

它们都是把两个很矛盾的名词拼装在了一起,比如「非概率」「反事实」,从而呈现出一种打破宇宙规则的感觉。

事实上也的确如此,在小说里非概率驱动让飞船能出现在最不可能出现的地方,而反事实通信也能让信息用最想象不到的方式传递。

我们闲话少说,直接开始介绍吧。

这个实验的来源还是经典的杨氏双缝干涉实验,研究量子的科学家们特别迷恋这个简单的实验装置,他们在双缝实验的基础上不断地改进、变形,延伸出了很多奇特的新的实验来。

当然,所有的实验都是围绕着光的波粒二象性的特点来展开的。

随着科学家对光的波粒二象性的理解逐渐加深,他们开始意识到光在不被测量的时候呈现波动状态的能力似乎不光是绕过一些障碍形成干涉这么简单,光的波函数在空间中似乎有更强的能力,于是他们做了这样一个小的实验。

首先还是原始的双缝实验,如果我们用波的概念来描绘应该是这样。

回顾下光的双缝自干涉实验

这张双缝干涉的图大家应该都很熟悉了。

我们现在用我们熟悉的虚拟视角,来再把这张图示意的实验过程再描述一遍:光从光源发射器发射以后就不存在实体了,变成了一种虚拟存在的波函数

这个波函数在没有被观察以前是没有没计算的。

然后按照光传播的速度应该到屏幕位置的时候,屏幕做为一个观测设备开始触发波函数的坍缩计算。

此时波函数应该按什么情况来计算呢?

我们在第二节的延迟选择实验里就知道,此时波函数,是按它在空间所有可能传播路径的传播情况,进行概率叠加,得到到达屏幕的总的波函数,最后计算出光子落点。

所以,如果我们在光子落屏前一秒,在某条缝隙上加一个探测器,那么干涉条纹就会瞬间消失,这就是我们讨论过的干涉破坏实验。

这时候就有物理学家开始脑洞大开了,他并不想去观测缝隙。

物理学家想,如果我们去干扰下这个波会怎么样呢?

我们就远远的,在根本就不影响光波的地方,干扰一下。

所谓万物讲数学

从数学上讲,概率波穿过缝隙后其实会扩散到整个空间去的。

只不过呢,光子随机位置主要还是集中在屏幕正中位置附近,在比较偏远的地方概率基本就为零了,观测的时候也几乎不会有光子落在那里。

比如,我们挑一个边缘位置,也许观测几千亿个光子也没有一个会落到的地方,在这个地方放一个障碍物会怎么样呢?

从数学上讲,似乎会影响到屏上的波形。

就好像在池塘里,你朝水中间扔石头的波纹扩散回来的细节,和池塘远处是否有头牛站在水里肯定是有关系的,但是关联非常的细微。

从直觉上讲,似乎很难想象这其中的联系。

毕竟那么远,光子基本不会传播到哪里,传播概率差不多是零,所谓概率波到底还是感觉只是一个数学角度的说法而已。

无处不在的概率波

那么到底有没有影响呢?

实验结果是有!真的影响到了!

在概率波为零的地方放置障碍物也能影响干涉条纹

这个偏远的障碍物,居然真的像理论计算的那样干扰了看不见的概率波,进而还影响到了屏幕上干涉条纹的分布。

这是不是令人觉得有再一次被现实世界震撼的感觉?

在一个光子根本就不会去的地方,放一个完全没有阻挡到光子的障碍物,竟然影响了远处的干涉波纹。

这种作用简直就像灵异现象一样难以理解。

这样反常的现象,我们可能看到只是觉得有趣而已,可物理学家们一旦发现了这个现象,肯定不会轻易放过。

他们就会想:既然我们能在一个光子都到不了的地方,操纵光子的落点,那岂不是可以用来传递信息?

往常传递信息,都是靠对某种信号载体的进行调制来实现的。

比如用声波,电流,电磁波或者光信号(其实也是电磁波),这些通讯再怎么复杂本质上都是在操纵某种粒子直接传递信息。

可是,如果我们用遮挡概率波的方法来传递信息,就没有对粒子进行任何的操纵,粒子好好地飞过去,然后就携带上信息了。

从粒子的角度来看,似乎什么都没有发生,而这种用「没有发生」的事实来进行通信,就叫做「反事实通信」

有点眩晕感了吧,为什么没有发生,还能携带信息呢?

我们还是赶快祭出我们的虚拟世界的游戏视角,来重新理解一下这个事情吧。

话说,在我们的量子游戏里,有一个探险小队正在探索一个副本。

探索副本的小队

队长跟大家说:「大家打起精神来,我听说这个副本的大 BOSS 巨龙会有几率掉落一把史诗武器。我们今天要争取得到这把武器!」

这时候,队伍里的法师说道:「队长,我也想要啊,可是听说这个副本掉落史诗武器的几率只有 1%,我们只打一次就得到的概率实在是太低了。」

队伍里的弓箭手也说道:「是啊,史诗武器只有巨龙 BOSS 才会掉落,而全副本里面只有一只 BOSS 级别的怪物,其他的小怪都只会掉落普通武器,这样我们就算打通整个副本也很难获得史诗装备。」

这时候,队伍里最聪明的牧师想了想向队长问道:「队长,那副本里面的小怪有多少呢?」

队长说:「不知道,很多吧,好像会刷新,杀不完一样。」

牧师于是笑了,说道:「那我有办法只杀一次 BOSS 就得到这把武器了!」

请问各位聪明的同学,你们猜到了牧师想的是什么办法吗?

其实牧师的办法很简单,他只需要让大家先不断地杀小怪获取普通掉落就好。

当小怪掉落了 100 件普通装备以后,再去打 BOSS,BOSS 掉落史诗武器的概率就会高达 99%,而且这个几率还可以用杀小怪拿普通掉落来不断提高,不断逼近 100%。

而这整个过程中,大家不用去攻击一刀 BOSS 就能轻松改变 BOSS 的掉落几率,这就是用垫小怪的方式来刷装备啊。

大家看完可能都明白了,为啥垫小怪会有用?

这是因为,我们得知史诗武器对于副本来说有一个整体掉落概率,这个掉落率的分母并不是 BOSS 的掉落数量,而是整个副本所有怪物的总掉落数量,所以,我们只需要不断打小怪掉装备来增加分母,就能不断提高史诗装备的获取几率,而这整个过程我们完全不需要去碰一下 BOSS 就做到了。

再进一步想,如果我们在副本里面打了很多很多小怪以后,但是却不击杀这只巨龙 BOSS,而是把它抓起来当做宠物(好像很少有游戏能抓 BOSS 当宠物的,但我们就先假设我们的量子游戏可以吧)。

然后,我们再另外再创建一个副本,进去后直接抓一只 BOSS 当宠物。

那么这两只宠物看上去似乎完全一样,但是它们的内部确有巨大的区别。

先抓的那只一只宠物因为垫过小怪了,所以它现在是一只几乎百分百掉落史诗装备的怪物,而后面这只没有垫过小怪的 BOSS 呢,它掉落史诗装备的概率还是 1%。

这种看起来一模一样,但是内在掉落率确不同的宠物可以干什么用?

其实大家很容易想到,也可以用来编码传递信息啊!

我们把高掉落率的 BOSS 当做 1,而低掉落率的 BOSS 当做 0,那么如果我们有很多 BOSS 就可以组成二进制数列,进而储存数据信息。

然后接收方只要按顺序击杀这些 BOSS,根据掉落武器的有无就可以解码信息了。

我们制造了一队完全一样的 BOSS,竟然可以用它们的不同掉落率的排列方式来储存信息。

这要是换在现实世界里是怎样的装置?

2013 年,

著名理论物理学家 Zubairy 的团队就提出这样一个通信实验,他们用了一系列的半透镜,全反射镜构造了一组奇妙的实验方案。

Zubairy 的实验装置

这套实验装置分成了两个部分:蓝色框内的 A 部分和红色框内的 B 部分。

实验开始以后,光子会从最上面的发射器出发,最后被最下面的两个探测器 D0 和 D1 接收到。

在发射器和接收器之间,每一条可能的路线都对应着光子的概率波。

但是由于概率波之间会相互叠加、相互抵消,经过巧妙设计,实验装置 B 部分的概率波差不多都被抵消了。

如果这样的实验装置有非常多组,那么 B 部分中的概率波就会无限趋向于 0。

这时如果 B 部分我们任由概率波通过的话,整套装置中的概率波就会以一种方式相互叠加和抵消。

结果会导致所有的光子跑到探测器 D0 中。

没有障碍物光子落到 D0

但如果我们在 B 部分的光路上放上无穷多个障碍物,拦住其中一部分概率波(虽然这部分概率波的幅度等于 0),剩下的概率波就会以另一种方式相互叠加和抵消,产生另一种结果,最后导致所有的光子跑到探测器 D1 中。

放置障碍物后光子会落到 D1

于是,实验就得到了这样一个神奇的结果:

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