赫伯特的 FLASH 系統——這個縮寫代表“首個雷射放大超光速連線”——使用了一個發射反向成對光子的源。該方案關注光子的偏振——即它們相關的電場振盪的方向。光子可以是平面偏振的,其電場沿水平方向 (H) 或垂直方向 (V) 振盪。或者,光子可以是圓偏振的,其電場以右旋 (R) 或左旋 (L) 方向描繪螺旋圖案。
物理學家早就知道,偏振的兩種型別——平面或圓形——密切相關。平面偏振光可用於產生圓偏振光,反之亦然。例如,一束 H 偏振光由特定組合中等量的 R 和 L 偏振光組成,正如一束 R 偏振光可以分解為等量的 H 和 V 一樣。對於單個光子也是如此:例如,處於狀態 R 的光子可以表示為狀態 H 和 V 的特殊組合。如果將光子製備為狀態 R,但選擇測量平面而不是圓形偏振,則會有相等的機率發現 H 或 V:這是薛定諤貓的單粒子版本。
在赫伯特構想的設定中,一位物理學家愛麗絲(圖中為“探測器 A”)可以選擇測量朝向她的光子的平面偏振或圓形偏振 [1]。如果她選擇測量平面偏振,她將以相等的機率測量 H 和 V 結果。如果她選擇測量圓形偏振,她將以相等的機率發現 R 和 L 結果。
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此外,愛麗絲知道,由於光子源的性質,她測量的每個光子都有一個與她搭檔鮑勃移動的糾纏雙胞胎。量子糾纏意味著兩個光子的行為就像一枚硬幣的兩面:如果測量其中一個處於狀態 R,則另一個必須處於狀態 L;或者如果測量其中一個處於狀態 H,則另一個必須處於狀態 V。根據貝爾定理,關鍵在於愛麗絲選擇測量哪種型別的偏振(平面或圓形)應該立即影響另一個流向鮑勃的光子 [2]。如果她選擇測量平面偏振並恰好得到結果 H,則朝向鮑勃的糾纏光子將立即進入狀態 V。如果她選擇改為測量圓形偏振並發現結果 R,則糾纏光子將立即進入狀態 L。
接下來是赫伯特的特別之處。在第二個光子到達鮑勃的探測器之前,它進入了一個雷射增益管 [3]。到那時,雷射已經存在了 20 年,正如主要的教科書通常吹捧的那樣,雷射的輸出具有與輸入訊號相同的偏振。這表明雷射器應該釋放出與愛麗絲在她這邊發現的互補狀態的光子束。然後,鮑勃可以分束 [4],將一半傳送到測量平面偏振的探測器 [5],另一半傳送到測量圓形偏振的探測器 [6]。
如果愛麗絲選擇測量圓形偏振並恰好發現 L,那麼朝向鮑勃的糾纏光子將在進入雷射增益管之前立即進入狀態 R。從雷射器中會爆發出一束朝向鮑勃的 R 光子。然後,他可以將一半的光束髮送到測量平面偏振的探測器,另一半傳送到測量圓形偏振的探測器。赫伯特由此得出結論,在這種情況下,鮑勃將發現一半的光子處於狀態 R,沒有處於狀態 L,以及四分之一處於狀態 H 和 V。瞬間,鮑勃就會知道愛麗絲選擇測量圓形偏振。愛麗絲的選擇——平面或圓形偏振——將像莫爾斯電碼的點和劃一樣起作用。她可以透過交替選擇測量哪種型別的偏振來向鮑勃發送訊號。鮑勃可以比光在他們之間傳播的速度更快地解碼愛麗絲程式碼的每一位。
正如 GianCarlo Ghirardi、Tullio Weber、Wojciech Zurek、Bill Wootters 和 Dennis Dieks 各自澄清的那樣,赫伯特的裝置實際上不允許超光速訊號傳輸。例如,處於狀態 R 的光子將以等量 H 和 V 的組合存在。每個基礎狀態都會被雷射放大。因此,輸出將是兩種狀態的疊加:一種是所有光子都處於狀態 H,另一種是所有光子都處於狀態 V,每種狀態的機率均為 50%。鮑勃永遠不會同時發現一半處於 H 狀態,一半處於 V 狀態,正如物理學家永遠不會發現薛定諤的貓在開啟盒子時既半死不活一樣。因此,無論愛麗絲在她那邊選擇什麼設定,鮑勃都只會收到噪聲。鮑勃的探測器會以隨機組合的形式,每時每刻閃爍 H 與 R 或 V 與 L 或 H 與 L 等。他永遠不會發現H和V 與 R,因此他無法確定愛麗絲試圖告訴他什麼。量子糾纏和相對論畢竟可以共存。
這一發現被稱為“不可克隆定理”:關於量子理論最終基礎的有力陳述。一個任意的或未知的量子態不能在不擾亂原始狀態的情況下被複制。在尼克·赫伯特的思想實驗和他才華橫溢的批評者之間展開貓捉老鼠的遊戲之前,沒有人認識到量子理論的這個基本特徵。量子理論對任何人(包括潛在的竊聽者)獲取單個量子粒子並複製它們的能力設定了最終限制,這一事實很快成為量子加密的基礎,並且今天處於蓬勃發展的量子資訊科學領域的核心。