量子通信动力学研究及应用*

王汰非

（1.国际科学研究院北京智能分院量子信息研究所，北京 100085；2.北京智能技术科学研究院筹信息检测中心，北京 100085）

0 引言

量子纠缠在量子信息与通信中起到重要作用 。目前对量子纠缠与量子通信系统相互作用的研究，宇宙量子关联普遍联系等动力学规律尚不清晰。由量子信息、隐形传态与实验研究[1-8]，提出量子通信动力学守恒定理、弱电磁相互作用与广义测不准关系。研究量子纠缠与量子通信隐形传态动力学规律，给出弱电磁作用与传递介子计算分析，结果与实验及量子通信拟合。计算表明，电子量子通信力程上限与太阳系空间尺度相当，光子量子通信力程上限可达到宇宙尺度，预言了量子信息与通信具有物理维度及宇宙互联网的可行性。宇联网无线连接系统，将天体星系演化过程发出的各种射线与辐射等转化为宇宙信息，传输到地球互联网，人类可直接观赏宇宙演化的自然奇观，直观研究宇宙发展规律。探索开发空间资源能源、地外生存环境及太空旅游移民等，促进人与自然和谐发展。量子通信动力学为量子技术、信息与通信系统发展及宇宙量子关联普遍联系，提供动力学基础与可靠地科学数据。

1 量子通信动力学守恒与系统相互作用及分析

对量子纠缠、量子信息与量子通信理论与实验系统研究，经过计算机逻辑分析演绎，提出量子通信动力学守恒定理、系统相互作用与传递介子理论，给出动力学计算及分析。

定义：量子通信相互作用的电子（光子）之间具有传递介子弱电磁相互作用，遵从动力学规律。介子速度为光速或真实的超光速运动，构成量子通信电子（光子）之间相互感应关联的相对绝对同时性，遵从系统动量守恒。

量子通信系统相互作用：远程量子场两电子（或多电子）或两光子（或多光子）之间的量子通信，为相互作用的粒子低光速或光速运动，传递介子的光速或超光速系统运动，产生远程弱电磁相互作用，遵从动力学守恒。

量子通信动力学守恒定理：远程量子场量子通信（纠缠）系统相互作用动力学守恒，遵从守恒关系。

系统动量守恒：mc=uv，mυ=uc，式中m为量子通信相互作用粒子（电子或光子）质量，u为介子质量（u＜m）,υ为相互作用粒子速度（υ≤c），v为介子速度（c≤v），c为光速（特征速度）。

系统动力矩守恒：uru=mrc=h/c，ucru=mcrc=h，uc2ru=mc2rc=hc，式中m，u为量子通信相互作用粒子与介子质量，rc，ru为相互作用粒子与介子的康普顿尺度。

系统运动速度守恒：量子通信相互作用的粒子为低光速或光速运动，传递介子为光速或超光速系统运动，遵从对称速度：υv=c2，式中υ，v为系统粒子运动速度与（介子）传递速度（υ≤c，c≤v)，光速c为特征速度。对称速度导证参阅文献[9]。

量子通信传递介子质量：u=mυ/c=mc/v，式中m，u为相互作用粒子质量与介子质量，υ，v为相互作用粒子运动速度与介子传递速度（υ≤c，c≤v)，满足系统动量守恒。称电子量子通信传递介子为L介子。

光子静止质量m0=0，速度υ=c，量子通信光子传递介子速度v≥c，由于光子静止质量为零，传递介子质量u≤m0，称光子量子通信传递介子为G介子。理论、实验与量子通信表明，系统电子或光子量子通信通过交换L介子或G介子，产生远程弱电磁相互作用，遵从动力学守恒。

统一基本力定律：统一场任何二全同粒子体系之间相互作用具有统一基本力。

数学表述为：

式中Fi表示统一基本力，m1，m2，n1，n2分别为相互作用二全同体系粒子静止质量和粒子数，r为二体系之间相互作用的基本力力程，其中η=(ħc)2/G=1.498 128×1041kg3m3s-2为统一基本力耦合常数(ħ,c,G分别为planck常数，光速与引力常数)。

任何二粒子之间相互作用统一基本力：

式中Fi表示统一基本力，m1，m2为相互作用二粒子静止质量，r为二粒子之间相互作用的基本力力程，η为统一基本力耦合常数。

定律构成弱电磁相互作用基础，理论与公式导证及物理意义参阅文献[10]。

2 广义测不准关系

2.1 同时性的相对绝对性

广义物理时空连续区量子通信相互作用粒子之间具有低光速、光速与超光速（传输）系统相对运动，粒子之间的光速或超光速传输发生同时的相对绝对性，遵从系统相对论时空观。粒子的一般量子态与量子隐形传态具有瞬时传输性，由量子通信与隐形传态的物理规律，引进广义测不准关系—测不准与超测不准关系。

2.2 基本原理

2.2.1 广义对称观测原理

系统物质整体过程的变化状态及规律，具有可观测与不可观测的广义对称性。测不准关系具有可观测性，超测不准关系具有不可观测性。物质的可观测与不可观测的整体过程都是真实的物理实在。

2.2.2 广义测不准原理

在确定微观粒子的每一个动力学变量所能达到准确度方面，存在广义基本限度：A.B≥h/2，A.B≤h/2，式中A.B≥h/2 为测不准关系，A.B≤h/2为超测不准关系(瞬间态测不准关系)，构成量子隐形传态测不准关系。A,B为两个正则共轭动力学变量，经典力学两个正则共轭动力学变量之间都存在着广义测不准关系。证明参阅文献[11]。

简要分析：量子力学中粒子波粒二象性对应着测不准关系，量子通信及隐形传态对应着超测不准关系。通常进行的时空测量，存在着特定的确定界限，一旦超越了这个界限而进入更小的瞬时时空，或者进入远程瞬时时空，这种测量转化为不可观测性。不可观测中粒子仍然具有真实的运动过程。根据量子力学测不准关系，任何可观测过程遵从：ΔEΔt≥h。只要Δt极短（Δt=10-24s），使ΔEΔt≤h，不破坏测不准关系，能量ΔE有较大的不确定性是允许的。出现能量偏离情况是在不可观测过程中出现的，不破坏能量守恒定律。量子通信隐形传态出现的介子为光速或真实超光速运动，在实验观测中可以找到介子是个实粒子，因为它在云室中飞行留下了径迹 。

计算电子广义测不准关系：令电子动量p=meυ=10-26kg.m，电子康普顿尺度r=h/mec=10-12m，满足测不准关系ΔpΔr≥h。量子通信电微子质量[12]μ=3.812 148×10-53kg，电微子波长λ=h/μc=5.797 923×1010m。根据天体与星系电磁辐射研究与量子通信（纠缠）传输距离计算分析，设电子量子通信(纠缠)力程与电微子波长成正比，满足超测不准关系：ΔpΔr≤h，电子量子通信力程r≤rm（rm=5.797 923×1010m)。其中Δp=μc为电微子动量（超测不准量），电微子波长构成电子量子通信力程上限，遵从系统动量守恒。量子通信系统质量矩守恒：mere=uru=μrm，式中me，u，μ为分别量子通信电子质量、介子质量与电微子质量，re，ru，rm分别为电子、介子与电微子康普顿尺度，其中为rm为量子通信力程上限，系统质量矩守恒遵从动力学守恒。电子量子通信相互作用力程r≤1011m。上限与太阳系及恒星系范畴相当，由此可建立星系量子通信互联网，可在实验与观测中验证。

中国科技大学量子通信团队，实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，在高损耗的地面成功传输100 公里，意味着在太空传输距离可以达到1000 公里以上，可解决远距信息传输问题，以上传输距离在量子通信力程r≤1011m 范围内。

2.2.3 系统态迭加原理

对于一般的情况如果ψ1，ψ2，ψ3是系统整体可能状态，那么线性迭加ψn=Z1ψ1+Z2ψ2+Z3ψ3，是系统整体迭加态。即测不准态ψ1，超短程超测不准态ψ2（时空量子隐形传态），远程超测不准态ψ3（量子通信远程隐形传态）整体迭加态。Z1，Z2，Z3是复数。对于一般实验及观测具有系统整体迭加态，即测不准、短程与远程超测不准态。

3 应用研究

3.1 四种基本力特征尺度

由统一基本力公式（2），计算四种基本力特征尺度。

强作用力特征尺度：Fh=3.718 5×1042N（m1,2=mz质子静止质量，r=1.2×10-15m氢核半径）；电磁作用力特征尺度：Fe=6.446 0×1039N（m1,2=me电子静止质量，r=a0玻尔半径）；弱作用力特征尺度：Fu=3.511 1×1036N（m1=mz，m2=me分别为质子和电子静止质量，r=a0玻尔半径）；引力分化特征尺度：Fg=2.195 7×104N（m1,2=mp为planck质量，r=1.2×10-15m氢核半径）。统一基本力表征基本力的起源和统一性。基本力特征尺度表征处于同样自旋和宇称态的基本粒子相互作用力的特征尺度，引力分化特征尺度表征极早期planck系统引力分化特征尺度。

以强相互作用力尺度为单位，将四种基本力尺度依次相比，得出四种相互作用强度理论确定值：1：（1.733 4×10-3）：（9.422 0×10-6）：（5.904 8×10-39）,即1:10-3:10-6:10-39。与用无量纲数表征的四种相互作用强度之比完全拟合。

3.2 量子通信特征尺度与系统相互作用计算及分析

光子量子通信特征尺度及分析：光子静止质量m0=0，速度υ=c，光子量子通信传递介子速度v≥c，由于光子静止质量为零，传递介子质量u≤m0，满足系统动量守恒。下面讨论m0=u，v=c特征形式。

特征形式及分析：由相对论光子无结构，因此光子与传递介子质量相等，为可观测宇宙最小质量。天文观测宇宙质量M=1.989×1052kg，宇宙质量量子[12]μg=1.496 891×10-68kg，构成光子特征质量基础，与有关报道日本科学家实验提出光子静止质量不为零拟合。光子特征波长λg=h/μgc=1.476 563×1025m，满足可观测宇宙尺度。设光子量子通信力程与光子波长成正比，满足超测不准关系:ΔpΔr≤h，光子量子通信力程上限r≤1.476 563×1025m。其中Δp=μgc为光子动量（超测不准量），光子波长构成光子量子通信力程上限，遵从系统动量守恒。光子量子通信(纠缠）相互作用力程r≤1025m，上限与宇宙范畴相当，由此可建立宇宙互联网，可在实验与观测中验证。

电子量子通信特征尺度及分析：电子质量m=9.109 534×10-31kg，υ=2.2×106m.s-1，代入对称速度公式：υv=c2，得出量子通信传递速度上限vm=4.085 25×1010m.s-1。L介子质量u=6.684 9×10-33kg，传递速度c≤v≤vm，传递力程r≤5.797 9×1010m。以上计算与中国科技大学量子通信组测试的量子纠缠的传递速度数量级较拟合。理论与计算表明，电子与光子量子通信通过交换介L子与G介子，产生远程弱电磁相互作用。

由超统一基本力公式，计算电子量子通信弱电磁力。二电子之间的量子通信传递中，令m1=m2=me电子静止质量，传递最大距离rm=5.797 923×1010m，代入式（2）量子通信二电子之间弱电磁力（下限）Fi=3.113 7×10-3N。中国科技大学量子通信团队实现量子隐形传态可达到1 000 公里以上。令量子通信传递距离r=106m，式（2）得出量子通信二电子之间弱电磁力Fi=106N。

预测与计算质子量子纠缠尺度。质子静止质量m=10--27kg，速度υ=105m.s-1。量子纠缠两质子传递速度v=1011m.s-1，介子质量uj=10-31kg，满足系统动量守恒。超测不准关系二质子之间传递最大距离rm=103m，二质子质量与rm代入式（2）量子纠缠二质子作用弱核力Fj=105N。应用于观测恒星黑洞（rs=103m）视界粒子，研究相同状态的核心粒子规律，可在实验与天文观测中验证。

3.3 宇宙量子关联和宇宙互联网研究

由热爆炸宇宙论，宇宙奇性含有宇宙构型及演化发展的全部信息。微波背景辐射是在宇宙大爆炸后发出，经过宇宙年龄138 亿年到达地球，微波背景辐射是最早的宇宙尺度的光子量子信息的传输，因此宇宙演化发展具有量子关联普遍联系。科学预测：量子信息与通信具有物理维度，对应物质时空维度。天文观测的各种射线辐射等都是星系通过三维空间与过去时间发生的四维信息。量子通信发展趋势为全息通信，即时空量子通信，时间间隔Δt=0的即时通信系统。满足量子通信粒子之间感应与传输间隔Δt=0 即时同步性。需要量子力学时空量子性与时空量子信息与通信技术[11]的系统发展。

如果试验发现质量m=10-35kg的亚电子，作为量子通信相互作用粒子，传输力程对应星系尺度1020m，同理质量m=10-37kg的亚电子，传输力程对应宇宙尺度1025m，由此开发宇宙互联网系统。

按照宇宙速度设计四种宇联网形式：第一宇联网卫星速度υ=7.9×103m.s-1围绕地球运行，第二宇联网卫星速1.12×104m.s-1围绕太阳系运行，第三宇联网卫星速度υ=1.68×104ms-1围绕银河系运行。第四宇联网卫星速度υ=c围绕总星系运行。我国发射的量子通讯卫星与空间站开辟了宇联网前沿，建立宇联网空间站无线连接与信息转化传输服务系统，将星系演化发展过程发出的各种射线与辐射转化为宇宙信息，传输到地球互联网。直接观赏星系辐射、超新星爆发、黑洞爆发爆炸、宇宙线与各种射线和宇宙膨胀演化奇观，直观研究宇宙演化发展规律,探索太空资源能源、地外生存空间等。

结论：宇宙具有量子关联的普遍联系，按照确定的量子关联系统规律演化及发展。

4 结语

研究了量子通信动力学守恒与弱电磁相互作用系统规律，预言了宇宙互联网的可行性，探索了宇宙量子关联的普遍联系。推进人类步入宇宙互联网信息科技时代，探索开发太空资源能源与地外生存环境，促进人与自然和谐发展。