这是一个关于极速的故事。
日本理化学研究所的研究表明，利用量子纠缠虽然可以加速粒子间的信息传输，但存在速度限制。
这个速度极限受到称为里夫-罗宾逊极限的理论的限制，该理论表明它接近光速但不超过光速。
研究人员在一份新闻稿中表示，“由于自然法则，信息传输存在上限。”
这次，我想先介绍一个关于“信息传输速度的极限值”的神秘理论，然后在接下来的几页中深入研究这项研究的结果。
研究详情将于2024年3月21日发表在《自然通讯》上。
量子世界的信息传输速度是无限的吗？
我们小时候玩的弦线电话通过“穿过弦的声音振动”来传输信息。
制作它所需的纸杯和绳子都是我们熟悉的工具，而绳索电话的原理也遵循经典物理定律。
通过智能手机的通信还使用无线电波的经典物理概念来传输信息。
因此，大家都知道，绳索电话和智能手机的信息传输速度的极限值受到通过绳索传输的振动和无线电波的速度的影响。
众所周知，无论我们如何努力，手机和智能手机的信息传输速度都无法超过光速。
然而，在量子世界中，粒子的行为就像波一样，无论粒子距离多远，都有可能概率性地检测到它们。
乍一看，在量子世界中，信息传输的速度似乎没有极限，是无限的。 /图片来源：RIKEN
例如，如果你向太空中 1 光秒外的行星发射一个光子，则发射的光子有可能 1 秒后将存在于 1 光年外的太空中。
乍一看，在能发生这种奇怪事情的量子世界里，信息传输的速度似乎没有极限，是无限的。
然而，1972年，里夫和罗宾逊从理论上证明，在涉及多个量子的系统中，信息从一个粒子传递到另一个粒子的速度不能超过光速。
这个上限也适用于量子隐形传态，限制信息从源粒子传输到接收点粒子的速率。
下面的步骤很详细，但是如果复杂的话可以跳过。首先要做的就是让量子B和量子C纠缠起来。接下来，操作A，输入您要传输的信息。例如，如果量子A是一个光子，我们会做出这样的协议：“如果我收到工作机会，它会变成垂直摇摆的光，如果我没有收到工作机会并收到祈祷电子邮件，它会会变成水平摇动的光”，通知结果会按照约定反映出来。量子A的状态发生改变，使得此时，A还没有纠缠到任何地方。接下来，通过测量A和B两者，可以间接连接A和C。 A 和 B 的测量（贝尔基准）充当将信息从 A 传输到 C 的关键。然而，即使在这个阶段，A和C也没有直接纠缠在一起。最后，根据A和B的测量结果（按键）操作C，将A中输入的信息传送到C。通过执行上述过程，A的信息将利用B和C之间的纠缠传输到C。听起来可能像是被狐狸包裹着，但这样一来，刻在量子 A 中的信息实际上就转移到了量子 C 中。 （*如果难以理解，请认为信息是通过量子纠缠机制在量子之间传输的。） / 图片来源：Yasuhiro Kawakatsu
上图是多量子系统中量子隐形传态的示例，但它比只有两个量子系统中的量子隐形传态要复杂得多。
因此，为了使讨论尽可能简单，我们将考虑存在三个量子（称为 ABC）的情况，并且使用量子纠缠机制将信息从量子 A 发送到量子 C。
所有三个量子都具有量子位的属性，它们处于两种状态的叠加，例如1和0状态。
在这种情况下，A 的量子态信息传输到 C 的速度限制称为“里夫-罗宾逊极限”。
跳跃罗宾逊极限 /图片来源：RIKEN
上图直观地描绘了涉及更多量子的“里夫-罗宾逊极限”，对中心信息源（对应量子A）的影响达到的范围是光速以下的区域（黄色内）锥体）。
跳跃罗宾逊极限 /图片来源：RIKEN
里夫-罗宾逊极限最初是作为一种仅适用于短距离的理论而创建的，但现在已被证明也适用于长距离。
最近，我们还成功地通过实验重现了“里夫-罗宾逊极限”。
更有趣的是，当我们求解描述该理论的数学方程时，我们发现当信息传输速度超过光速时，信息量会因某种原因呈指数级丢失。
我们的宇宙中似乎存在一种机制，允许光子随机行为，但阻止信息传递超过光速。
然而，关于里夫-罗宾逊极限仍有许多未解之谜。
其中之一是称为玻色子粒子的粒子系统中的信息传输速度。
利用量子纠缠可以加速信息传输
负责物质的粒子和负责力的粒子/图片来源：名古屋大学
粒子物理学最伟大的成就是标准模型，它系统地表明在我们的宇宙中存在负责物质的粒子和负责力的粒子。
上图基于基本粒子的标准模型，列出了两种类型的粒子：负责物质的费米子和负责材料之间交换力的玻色子粒子。
例如，氢原子核是一种物质，由三个费米子（两个上夸克和一个下夸克）组成，而光子（玻色子粒子）负责作用在物质之间的电磁力。
上一页从故事开始，在量子世界中，存在的概率允许粒子存在于比光速更快的位置，因此信息传输的速度乍一看似乎是无限的。
然而，这项研究是从费米子和玻色子的基本性质开始的。
基本上，构成物质的两个费米子不能同时放置在空间中的同一坐标处。
这可以从以下事实看出：无论你如何努力，都无法将氢原子核放在同一个位置。
（*如果无限期地施加压力以迫使同一位置，就会发生核聚变或变成黑洞）
然而，在玻色粒子（例如传输力的光）的情况下，多个粒子处于相同状态，并且可以将其中两个或三个粒子放置在相同坐标处的彼此之上。
还知道，当光子（玻色子粒子）堆积在同一个地方时，该地方的能量就会增加。
因此，在本研究中，我们进行了模拟来研究当玻色子粒子密度增加时信息传输速度是否会发生变化。
尽管使用普通计算机进行模拟，但通过将时间分成小块来再现量子运动。
这使得传统计算机能够高精度地执行量子纠缠的信息传输速率。
图片来源：阐明量子纠缠的传输速度限制。RIKEN
有趣的是，人们发现玻色子粒子的密度和信息传输的速度成正比。
传统观点认为，信息在玻色子系统中以恒定速度传输，就像在费米子系统中一样，但新发现是信息传输被加速，这是以前不可想象的，澄清了这一现象。
这一发现揭示了通过玻色子粒子传递信息的速度可以加快。
然而，即使有了这种加速机制，利用量子纠缠的信息传输速度仍然低于光速。
研究人员表示：“这些结果意味着，由于自然法则，信息传输速度存在上限。”
什么是信息？
“最后，我想讨论一下什么是信息？”
信息渗透到我们生活的各个方面。
经典意义上的信息是以某种形式（例如字母、数字或符号）表达和交流的知识或数据。
然而，量子信息从根本上改变了这个概念。
这是因为，当量子和信息这两个词相交时，就会发生剧烈的化学反应。
量子信息基于量子力学的一个基本单位，称为“量子比特” 。
经典位具有 0 或 1 的状态，而量子位可以具有“叠加”状态，允许它们同时具有 0 和 1 的状态。
这意味着量子信息具有与经典信息根本不同的属性。
量子纠缠是量子信息中的另一个关键概念。
当两个粒子纠缠在一起时，它们会形成一种神秘的关系，测量一个粒子的状态可以立即确定另一个粒子的状态。
这一特性是量子隐形传态和量子密码学等技术的基础。
从经典物理学的角度考虑信息是什么的问题时，它是一个指向可能性收敛的箭头。
然而，从量子力学的角度来看，信息是一个既指向可能性扩散又指向可能性汇聚的箭头。
因此，量子信息有能力超越经典信息的局限性，从根本上改变计算的效率、通信的安全，甚至我们对物理世界的理解。
量子与信息的结合仍然笼罩着许多谜团。
然而，如果我们能够解开这个谜团，我们就拥有了打开未知领域之门的钥匙。
