量子纠缠态是什么?就是被提前定义捆绑好了的很多单态。用两个粒子为例,假如有两个电子,一个自旋向上(自旋 +1/2),用 |+1> 表示, 一个向下(自旋 -1/2),用 |-1> 表示,若他们组和在一起,共有四种种可能性,即 |+1>*|+1>, |-1>*|-1>, |+1>*|-1>, |-1>*|+1>。注意,这是根据几率假设所定义的态,在这个定义中,两个单电子间只考虑了空间,并没有涉及时间的问题。而这个时间正是爱因斯坦所质问的信息传输速度问题。
那么纠缠的量子态是如何传递信息的呢?在制备态的的时候,我们可以提前知道的是制备后的总结果,如总自旋是多少,对于两个电子而言,总自旋为 1(自旋都朝上), 总自旋为 -1(自旋都朝下),或总自旋为0,根据几率假设,制备好的态有、只有三个: 1)|+1>*|+1>, 2). |-1>*|-1>, 3)|+1>*|-1> + |-1>*|+1>。第三个态是加在一起的,因为根据几率假设,单个电子的自旋是两种可能性的叠加。制备好了的态就是一个黑匣子,是我们传输信息的工具。
那么信息是怎样传递的呢?以第三个态为例,假如两个电子距离非常远,并且分别和在两个人(A 和 B)旁边。因为距离很远两个人相互看不见,如果没有态的话,他们之间是没有关系的,有了这个纠缠的态之后,当A手里拿着一个自旋向上的电子后,他想要告诉B说我拿的是向上的电子,怎么告诉,他可以拿他的电子对自己旁边的这个单态作用一下,作用以后,瞬间纠缠态叫崩塌了,在B那里的态就被显明了,突然 B 这里的单态不再是几率的叠加了,就只有自旋向下的状态了。那么B看到自己的态显明了之后,就知道了 A 手里所拿的电子是什么了。这就是信息在两地之间的传递了。这就是量子信息传递的基础。
注意,这里传递的时候,因为在定义纠缠态的时候没有涉及时间,只有空间。而且量子态的几率假设要求,当两个电子处于纠缠态时,一边显明的同时,另一边必须立马同时显明。那么不同的地方之间,黑匣子里面的两个电子又是如何知道对方已经被显明了呢?他们之间是靠什么传递的这个信息呢?爱因斯坦认为信息的传递必须有介质,可以超光速,但总得有一个速度,绝对不能同时。这就是量子力学奇怪的地方了。也有人说这就是量子力学的“量子性”,但这种说法是很不让人放心的。
显然,第一第二两个态是不能传递信息的 (或者说对信息的传递而言,是没有意义的)。