量子'阻塞'或有助揭开因果关系的奥秘

# 量子“干扰”或能解开因果之谜 来源：https://www.wired.com/story/quantum-jamming-could-help-unlock-the-mysteries-of-causality/ **本文原版**（https://www.quantamagazine.org/quantum-jamming-explores-the-truly-fundamental-principles-of-nature-20260417/）发表于《Quanta Magazine》（https://www.quantamagazine.org/）。 过去几十年里，研究人员已经认识到，量子计算机最终应该能够破解那些保护数字世界的广泛使用的密码（https://www.quantamagazine.org/thirty-years-later-a-speed-boost-for-quantum-factoring-20231017/）。为防范这一命运，他们花了多年时间开发新的代码，这些代码似乎能够抵御未来手持量子计算机的破解者（https://www.quantamagazine.org/quantum-secure-cryptography-crosses-red-line-20150908/）。 与此同时，他们还设计出了巧妙的方法（https://www.quantamagazine.org/quantum-cryptography-pioneers-win-turing-award-20260318/），利用量子力学规则来保障通信安全。但量子力学，就像之前的“经典”力学一样，只是关于自然的一种理论。如果它最终被一个更完整的理论所取代，就像一个世纪前量子力学取代牛顿物理学那样，会怎样？在一个有着更基本规则的世界里，这些量子通信技术还能保持安全吗？ “就这些密码协议而言，保持偏执是件好事，”香港大学研究量子密码学的量子信息理论家Ravishankar Ramanathan（https://www.cs.hku.hk/index.php/people/academic-staff/ravi）说道，“让我们尽量减少协议背后的假设。假设在未来的某一天，人们意识到量子力学并不是自然的终极理论。” 这是一个值得考虑的可能性。尚未解决的难题——比如调和量子力学与引力——表明，后量子时代的自然理论可能涉及一些相当意想不到的东西。 为了防止他们的协议基于错误的假设，一些量子密码学家开始寻找更基本的原则来构建基础。他们不从量子力学出发，而是挖得更深，一直深入到因果关系的概念本身。 ## **微妙的破坏** 要理解这一领域的发展，可以考虑量子密钥分发。它利用量子力学的规则来传递密钥——一种可用于解码秘密信息的东西——且无法被秘密篡改。量子密钥分发利用了量子纠缠，它通过某种属性（如自旋）将两个粒子锁定在一起。量子纠缠中包含某种“绊线”。如果有人试图干扰纠缠——就像他们在试图窃取密钥时那样——入侵就会破坏纠缠，从而暴露破坏行为。这是因为一个基本的量子力学原理，称为“纠缠的单配性”。 但如果这个原理不再成立呢？在这种情况下，如果传递信息的人没有完全控制自己的设备，外部人员就有可能微妙地改变粒子的纠缠，在不留痕迹的情况下破坏通信。 这个过程被称为量子干扰（quantum jamming），近年来对其理解的研究激增。 对于许多科学家来说，干扰之所以有吸引力，是因为它可以帮助他们更好地理解量子力学以及因果关系的本质。他们想知道：是否存在深层原理禁止干扰，使其不可能发生？或者，如果没有原理禁止，干扰能否在现实世界中发生？ ## **干扰者Jim** 波兰克拉科夫雅盖隆大学的理论物理学家Michał Eckstein（https://scholar.google.com/citations?user=1a4uemwAAAAJ）喜欢用一个故事来说明干扰。故事的主角是解释量子力学时的经典人物：Alice和Bob。 “假设你有Alice和Bob，他们遇到了一位魔术师，名叫干扰者Jim，”Eckstein说，“魔术师说：‘我有两个球，一个是白色的，一个是黑色的。’” 这两个球代表一对纠缠的粒子。如果两个粒子纠缠，它们就在某种程度上具有关联属性——例如，如果你测量第一个粒子并发现其自旋向上，那么另一个粒子的自旋必然向下，反之亦然。即使另一个粒子在宇宙的另一端，这一点也成立。这里，两个球是关联的：如果一个球是白色的，另一个球就永远是黑色的。 在经典魔术套路中，Jim让观众看到球被放进两个盒子，打乱后交给Alice和Bob。此时，没有人知道哪个球在哪个盒子里。 然后Alice和Bob登上火箭，以接近光速向相反方向飞去。一段时间后，Alice打开她的盒子，Bob打开他的盒子。但在此期间，Jim表演了魔术，球已经发生了变化。 起初，Alice和Bob都没有注意到Jim的干预。每个人都期望有50%的机会看到白球或黑球，当他们打开盒子时，球要么是白色，要么是黑色。Jim无法改变这一点。 然而，当Alice和Bob回到地球比较测量结果时，魔术师的把戏就暴露了。他们发现两个球的颜色相同。Jim将球纠缠的性质从颜色相反转变成了完全匹配。 这就是基本概念，尽管实际上量子干扰过程要复杂一些。 20世纪90年代中期，Jacob Grunhaus、Sandu Popescu和Daniel Rohrlich正在探索一种理论能在多大程度上超越量子力学规则，同时仍然尊重爱因斯坦的一个核心原理：你不能以超过光速的速度传递信息。爱因斯坦世纪中叶的思想实验表明，如果没有这个“非信号”原理，因果关系的概念本身就会开始瓦解。从那时起，非信号原理就成为物理学家考虑量子力学之外可能存在的理论时的核心假设。“当我们在量子基础领域工作时，我们非常重视非信号原理，”法国国家信息与自动化研究所（Inria）的Mirjam Weilenmann（https://mweilenmann.github.io/）说道。 Grunhaus、Popescu和Rohrlich将干扰（https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.53.3781）想象成一种可以干扰纠缠粒子的超纠缠。就像你可以用测量设备决定远处纠缠粒子的命运一样，你可以用假设的干扰设备来改变一对远处纠缠粒子之间的相关性。一些物理学家认为，如果这种干扰过程遵守几个关键规则，它就能秘密地破坏量子纠缠，而不破坏因果关系。 量子干扰的想法是如此奇怪，以至于起初物理学家们不知道该如何处理它。“我们写了那篇论文，然后就没有然后了，”Popescu（https://www.sandupopescu.com/）说。 ## **因与果** 二十年后，是进一步探索它的时候了。 随着量子计算机从理论概念走向现实世界的实验，量子密码学已经发展壮大。在21世纪第一个十年里，几个（https://arxiv.org/abs/quant-ph/0405101）小组（https://arxiv.org/abs/quant-ph/0510094）开发了（https://arxiv.org/abs/0911.3814）设备无关的量子密钥分发，这是一种依赖于纠缠单配性的量子密码学程序。 2016年，Ramanathan和Paweł Horodecki在思考这些协议时，发现了Grunhaus、Popescu和Rohrlich的论文。“我们开始意识到，一旦你允许这类干扰关联存在，整个设备无关密码学所依赖的单配性特性就会完全失效，”Ramanathan说。 不久，干扰成为了热烈讨论的话题。许多研究人员觉得这个思想实验缺少一些重要的东西：虽然干扰不能用于超光速传递信号，但影响远处量子粒子的状态仍然让人感觉像是那种很久以前就让爱因斯坦苦恼的“幽灵般的超距作用”。 但对于一些研究人员来说，量子干扰带来的不适感正在激发新的想法。“我把它看作一种工具，用来帮助磨练我们对因果关系正确定义的直觉，”Roger Colbeck（https://www.kcl.ac.uk/people/roger-colbeck）说，他在2006年的博士论文中提出了第一个设备无关密码学协议。 Colbeck现在在伦敦国王学院工作，他与格勒诺布尔阿尔卑斯大学Inria研究中心的V. Vilasini合作，正在分类（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.110401）不同理论中因果关系的运作方式。对他们来说，干扰是一个有用的边界情况。他们正在寻找另一个基本原理，就像非信号原理，来解释干扰打破了哪些规则。 Ramanathan和Horodecki的研究小组回应该工作以及Weilenmann最近的一篇论文（https://www.nature.com/articles/s41467-024-54855-1），于2025年12月与Eckstein、Tomasz Miller和Paweł Horodecki的父亲Ryszard共同撰写了一篇预印本（https://arxiv.org/abs/2512.23702）。现在，研究人员正在进行对话，试图澄清术语、纠正误解，并寻找物理理论背后的基本原理。 “对我来说，这是最有趣的问题，”Eckstein说，“它背后有没有新的物理学？物理学能否包含这样的现象？” --- *原文（https://www.quantamagazine.org/quantum-jamming-explores-the-truly-fundamental-principles-of-nature-20260417/）经许可转载自Quanta Magazine（https://www.quantamagazine.org/），该杂志是**Simons Foundation*（https://www.simonsfoundation.org/）旗下具有编辑独立性的出版物，其使命是通过报道数学、物理及生命科学领域的研究进展和趋势，增强公众对科学的理解。*