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海量信息存储问题瞬间转移的科学基础是有的

中科院半导体所 2021-06-03 10:20 次阅读

《星际迷航》系列影片中有一个经典镜头:某个角色进入“光波传送系统”,在很短的时间内人体渐渐淡化,直至消失。与此同时,在遥远地方的接受装置里,这个角色毫发无缺地冒出来,还保持着被传送时的表情和动作。

瞬间转移的技术难题

20 世纪 60 年代吉恩·罗登伯里创作《星际迷航》电视剧时曾经考虑:“从行星轨道降落到行星上,如果乘坐飞船着陆,会占用电视剧中太多的时间,我们必须想一个很简单的方法来解决这个问题。”虽然许多在《星际迷航》中首次出现的技术已经成为现实,如翻盖式手机、通信徽章、皮下注射器、机械臂、激光手术刀等,但“光波传送系统”仰赖的瞬间转移技术可能永远都不会实现,因为它不但违反物理规律 , 超越自然的极限 , 更会引发难解的社会问题。他想到一种把人分解后再组合的方法,即“瞬间转移”,这个过程在片中只需要 5 秒钟。

可以想见,如果瞬间转移技术在现实中真的出现,将堪称交通工具的革命。想象一下,在磁悬浮列车和喷气式飞机的时代,谁还会选择乘牛车长途旅行呢?同样,如果未来真有瞬间转移系统,那些宇航员为什么还要费力乘飞船上太空,瞬间转移到另一个星球不就万事大吉了么?

海量信息的存储问题瞬间转移的科学基础是有的。1997 年,奥地利科学家在实验室内首次成功把一个光子的任意极化态完整地传输到另一个光子上,完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。量子态隐形传输就是指利用“量子纠缠”技术,借助卫星网络、光纤网络等经典信道,传输量子态携带的量子信息。你可以这样理解:就是把 A 光子的“样子”瞬间传递给了远处的 B 光子,B 和 A 一模一样,从某种意义上说,就像是在远处“复制”了A 光子一样。

但是,由原子组成的人可不比单个的光子。要转移一个人,务必保证组成人体的每个部分都在正确的位置上。对物理学家来说,这个问题可以简化为“转移海量的原子,并保证每个原子都在合适的位置上”。不幸的是,构成一个人的原子数高达10的28次方 个。

为了保证传输过去还是本人,需预先测定每个原子所在的位置——而每个原子至少需要三个维度的坐标——还要知道电子占有的能量位、原子之间的结合强度和分子的运动状态等附加信息。这样算来,要存储所有这些信息,每个原子就大约需要 1 千字节,一个人的信息量更是天文数字 。为了对这个天文数字有些感性认识,让我们用天文单位来衡量它:如果把这些信息储存进普通的 500G 台式机硬盘,再把这些硬盘一块一块摞起来,我们将看到一条长达 70 光年的硬盘长城——相当于地球到织女星距离的3倍!

冲击波出没,注意!

好吧,我们假设摩尔定律(芯片上可容纳的晶体管数目,每隔 18 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍)一直在发挥作用,未来电脑的存储器已经可以轻松存入这么多信息,但把船员转移回飞船还是有可能发生毁灭性的爆炸。想想看,原本空无一物的“转移室”瞬间多出一个物体,这个物体必然要排开它占有空间原有的空气,这就形成了可怕的冲击波。

之所以说“可怕”,是因为普通炸药的爆炸冲击波传播速度一般在 2000~9000 米 / 秒,而如果物体“瞬间”出现,那么物体排开空气的速度将是无穷大!由于反应速度太快,瞬间释放出的能量来不及散失而高度集中,会产生极大的破坏作用。说起来,避免内爆的唯一办法是将“转移室”抽成真空,人类要穿起宇航服才能在这样的环境中生存。

违背测不准原理瞬间转移真正挑战的是宇宙的极限。在剧情中,瞬间移动是将人体或物质分解为海量的量子,并将这些量子传送到终点后依照原样组合起来。这就违反了量子力学中的测不准原理:一个微观粒子的位置和动量不可能同时具有确定的数值,其中一个量被测量得越准确,另一个量的不确定程度就越大。也就是说我们无法精确测定一个微观粒子的状态,更不用说组成人体的那么多粒子了。因此在电视剧版《星际迷航》中,采用了一种虚构的“海森堡补偿器”来回避其对测不准原理的违背。套用《星际迷航》中的格言:瞬间转移是一个“前人所未至的领域”,风险与机遇并存。而且由于理论和技术的限制,这很可能将是一个“无人能至的领域”。

瞬间转移的伦理问题即便在技术上得以实现,瞬间转移还要面临伦理问题。瞬间转移可以分为两种方式:“依照信息复制物体”和“依照信息还原物体”。可不要小看“复制”和“还原”之间的微妙差异,它们代表了完全不同的技术路径。一旦用于活人的传送,两种方式的棘手程度则难分伯仲。“依照信息复制物体”即把位于 A 点的人体信息传递到 B 点,然后在 B 点根据这些信息复制出一模一样的人。这时就出现了问题:位于 A 点的人依然存在,如何对待这个活生生的人?消灭他,于情于法都不合理;让他继续存活,则在宇宙中同时存在两个一模一样的人,他的财产、权利、社会关系……该如何分享?

“依照信息还原物体”是指位于 A 点的人体物质被全部转化为量子化信息,将这些信息发送到 B 点后再进行人体的精确还原。这里的重点在于“转化”。物质转化量子态的过程也就消灭了人体的实物化存在。组成人体的所有粒子被拆散,发到 B 点的接收端后再重新组装。其过程类似于先用碎纸机把写有文字的纸张粉碎,然后根据纸张、油墨的化学组成以及每个碎片的相对位置关系,再复原出一张与原来的纸一模一样的新纸来。上面的文字、纸的质地、油墨的浓度……丝毫没有改变。这种“异地还原”的传送效果类似于《机器猫》中的“任意门”或在科幻作品里经常出现的“虫洞”。

乍看起来,“还原式”的瞬间转移技术免除了两个互为镜像的活人共同存在的尴尬,仿佛更具优越性(这也是《星际迷航》里采用的方式)。其实不然。传递信息存在风险:如果数据流出现丢失、中断、干扰怎么办?没有人希望经过瞬间转移后少了点什么身体零件。如果因为失误或者敌方破坏,在其中加入“病毒”数据,难以保证不“还原”出一个身体或精神与原型迥异的怪物。如此迅捷但危险的旅程,恐怕只有大无畏的星舰队员才敢尝试吧。话说回来,假如瞬间转移技术真的跨越了各种技术障碍,得到广泛应用,那么“人体冷冻”之类的技术也可以休矣。瞬间转移的前提是能够扫描出人体的全部信息,并根据这些信息复制人体及其精神。这样任何人都可以不断给自己“存盘”。

万一遇到重伤、意外死亡等不幸事件,就可以重新“读取进度”,根据原有信息复制一个原来的自己出来。也许人人都愿意过这样“纠错性”很强的生活:感情失败,没关系,消灭自己再还原一个未坠入爱河的我;债台高筑,消灭自己再复制一个尚未举债的我;甚至有人只是为了尝试不一样的人生道路就不断自杀并复活自己……可这会导致什么呢?我们为克隆人带来的伦理问题争论不休,而这种强纠错性的生活将导致的问题,只多不少。

来源:《不敢问希区柯克的,问S先生吧:论一部电影的科学修养》

作者:赵洋

原文标题:利用量子纠缠技术就能实现“瞬间移动”?你敢体验吗?

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