“瞬移”的物理可能性有多大？

编者按

之前在每周日公众科学日专栏中小编介绍了“磁暴线圈”和“光棱坦克”，很多小伙伴回复说想看“超时空传输”。为此小编专门找到了物理所理论组的博士Santiago为大家专门撰文一篇，希望大家喜欢~

想象一下，我们不需要开车或者坐公交地铁，直接从自己家里被瞬间传送到办公室或者学校，或者我们不需要宇宙飞船，直接从地球被传送到月球上的基地，这种便利性是不是很诱人？其实这些瞬间传输的景象我们并不陌生，它们经常在影视作品里面出现，其原理也是五花八门。包括《星际迷航》系列中的通过传送机(Teleport Machine)进行瞬间传输，如下图所示：

《星际迷航》里的瞬间传输

Spock 等人总是通过这样的装置实现瞬间传输。

另一种方式就是通过虫洞进行瞬间传输了。例如《星际穿越》电影中主人公从地球乘坐宇宙飞船到达黑洞附近寻找宜居星球。

《星际穿越》中逼真的虫洞

以上两种方式是目前物理理论上可能允许的瞬间传输。文艺作品中出现的其他的瞬间传输方式还包括《哆啦A梦》的任意门，《龙珠》里面孙悟空通过气的瞬间传输等，这些都是目前的物理理论所不允许的，在本文就不予讨论了。

任意门和孙悟空的瞬间传输

首先讲讲第一种瞬间传输方式。在《星际迷航》的电影里刚出现传输机的时候，很多人认为这仅仅是科幻，在现实生活中不可能实现。大部分物理学家那个时候也都是这样认为的。但是在1993年，有物理学家发现量子力学告诉我们，类似这样的瞬间传输是可以实现的，只要满足几个条件即可。

我们先从最简单的情况谈起，即如何瞬间传输单量子态粒子。实现单量子态的传输的量子线路图如下所示（可忽略）：

量子瞬间传输原理图

是不是看起来很简单，我们只需要提前分配一对纠缠态，然后再传输两比特的经典信息就可以传输一个量子态了。从整个物理过程中不难发现，我们最快也只能实现光速传输，不可能实现瞬间传输，因为为了传输一个量子态，我们最后还要传输经典的信息，这就使得它的速度没法超过光速。但是即使是光速传输，也已经远远大于目前人类最快的飞行器的速度了，所以叫它瞬间传输也毫不为过。

既然我们已经知道了现实世界瞬间传输的原理，那么我们还要多久才能实现《星际迷航》中人的传输呢？物理学家早已经实现了单量子态的传输。实现单量子态的传输的实验图如下所示：

量子瞬间传输的实验装置图

我们不难发现，实现单个量子态的传输尚且需要如此复杂的实验设备，更别说一个人了。一个人包含大概10^29 个粒子，这些粒子包含夸克，电子，质子，中子，原子，分子等，每一个粒子又包含能态，自旋，角动量等不同的量子态。要同时传输这些量子态，实验难度远远超出想象。

要实现这样的瞬间传输需要满足的最重要的条件就是要有纠缠态，因为制备和分布纠缠态也是需要时间的，所以瞬间传输的实际存在就又打了折扣。就算我们已经分布好了纠缠态，瞬间传输一个人所需要传递的经典信息量也是天文数字。假设我们需要在10秒内传输一个人，而且假设人体内的每个粒子仅仅包含一个量子态，那么也需要在10秒内传输2x10^29比特粒子，这大概是10^11EB 后者10^8ZB（只估计数量级）。大家可能对这个数字的大小没有概念，举个例子说明一下，目前整个互联网一年的信息交互量大概是1ZB左右，整个物联网存储的信息也不过是800EB(2009年)左右，因此要实现人的瞬间传输，我们需要在10秒钟的时间内传输完人类目前需要1亿年的时间才能达到的信息传输量，这样的任务量目前几乎是不可能实现的。目前互联网最快的信息传输方式是谷歌的Google Fiber，能实现10GB/s 的传输速度，按照这个速度，要实现一个人的瞬间传输我们需要等待10^19秒，大概是3000亿年，相当于现有宇宙年龄的20倍。这当然已经不能是瞬间传输了，应该算是全宇宙最慢的传输了。

另外需要注意的是，目前的物理理论只允许量子态的瞬间传输，并不能实现实物粒子的瞬间传输，也就是说，要真正实现人的瞬间传输，我们还得在传输的目的地放一个和要传输的人完全一样的没有生命的副本，然后把需要传输的人的每个粒子的量子态传送过去。这样没有生命副本如何制作，如何提前保存目前也是具有极大的困得的。另外，物理学家对于理论上是否能实现人的瞬间传输也是有争议的。有些物理学家认为虽然实验上有困难，但是理论上是可以实现人的瞬间传输的；还有一些物理学家认为人等活物无法实现传输，因为人包含意识，意识是无法实现传输的。所以就算我们克服了其他的技术难题，能不能传送人这样的具有意识的生命，答案还是未知的。

人的意识也是可以传输的吗？

除了用这种纠缠的方式进行瞬间传输，还有一种很诱人的方式就是通过虫洞进行瞬间传输。虫洞的学名叫做爱因斯坦罗森桥，是连接宇宙不同区域的时空通道，目前只是广义相对论的一个解，真实宇宙中是否存在虫洞还没有被天文学家验证。如果虫洞的存在被证实，那我们也许可以实现真正的瞬间传输，进行星际旅行将不再是好几代人的耗时耗力的巨大任务，通过虫洞就可以在很短的时间内到宇宙中任何我们想去的地方。

艺术家描绘的二维虫洞

但是要实现这种传输，我们首先得制造一个虫洞，但是用什么制造，如何制造，理论上还几乎是一片空白。况且最大的困难不仅在于如何人为的制造虫洞并且稳定的维持一个虫洞，更在于我们目前根本无法预测虫洞的另一个端口在哪里。也就是说就算目前我们可以在地球附近制造一个虫洞（这已经是天方夜谭了），我们也不会知道这个虫洞会通向哪里。所以目前无论是理论上还是现实上，通过虫洞进行瞬间传输都不可能实现。但这并没不代表不能用虫洞进行瞬间传输，随着科学的发展，终有一天我们会有明确的答案。

总之，在上文提到的两种瞬间传输方式中，第一种最有可能实现，因为我们已经实现了单量子态和双量子态的传输，随着时间的推移我们能传送的东西也会越来越复杂，也许最终有一天我们能克服以上提出的种种技术和理论上的困难，实现人的瞬间传输。

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