“鬼魅般的超距作用”：量子纠缠——2015年国家自然科学一等奖赏析

◇　北京　程 帅　刘 铭　何 龙



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“鬼魅般的超距作用”：量子纠缠
——2015年国家自然科学一等奖赏析

◇北京程 帅刘 铭何 龙

2016年1月8日,潘建伟院士及其团队无疑成为中国科学界最闪耀的明星.当天,由潘院士带队的中国科学技术大学研究团队夺得了国家自然科学一等奖,也是我国自然科学领域的最高奖项．而让他们获此殊荣的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”,听起来莫测高深,光子和光子居然也会“纠缠”在一起.当然此“纠缠”非彼“纠缠”,就让我们一起来了解一下量子世界的纠缠态吧!

图1　量子纠缠示意图

爱看科幻剧的同学们也许会注意到,“量子纠缠”这样一个名词在各式科幻巨作中不乏出现,近期较火的一部科幻美剧《神盾局特工》中就有一位精通量子纠缠的异能人士,他双眼已盲却可瞬移千里,其超能力的源泉就来源于“鬼魅般的超距作用”——量子纠缠．

要了解“量子纠缠”的怪异行止,我们不妨先了解一下“态叠加”和“薛定谔的猫”．薛定谔曾如此描述这一貌似荒谬的理论:一只小猫被关进装有毒气触发装置的箱子里面,而触发装置是一种有 50%概率发生衰变的原子,若原子衰变,毒气就会释放让小猫死亡,反之小猫安全．如果我们想要了解猫的真实情况,就必须打开箱子,那我们所观测到的猫要么是活着的,要么是已经死去的．但量子力学的“态叠加”描述的是若不打开箱子,小猫就既是死的又是活的,是一种区别于非死即活的全新的态，如图2所示.

图2

那么这与量子纠缠又有什么关系呢?我们可以把猫换成微观世界的电子,而电子的“自旋”状态,即为猫的生与死．电子的自旋不同于陀螺旋转,其自旋状态只有2种,并且直到你观测它的那一刻才能决定其是顺时针转还是逆时针转．假设2个电子形成一组互相纠缠的电子对,根据泡利不相容原理,二者自旋方向必然相反．对量子理论坚信不疑的玻尔和他的同事们相信,这样的一对电子即便它们相隔万里,一个在地球,一个在月球,没有传输线相连,如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转,那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转．换句话说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不止是影响了它,你的观测也同时影响了与它“纠缠”在一起的伙伴,而且这与2个粒子间的距离无关．2个粒子的这种怪异的远距离连接,爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”,即“量子纠缠”．

事实上,利用量子纠缠实现“瞬间移动”的实验早就在非洲加那利群岛的海岸边进行了．维也纳大学的实验物理学家安东·蔡林格是实验的主持者,他认为那里有2座天文台,实验环境很优越．当然,蔡林格的传送对象不是他自己或其他宏观物体,他试图利用量子纠缠传送的是光的粒子——光子．首先,他在拉帕尔玛的实验室中制造出一对纠缠的光子,将其一留在拉帕尔玛,另一个则用激光发送到140km外的特内里费岛上．接着有意思的实验正式开始了,蔡林格追加了第3个光子,但只是让它与留在拉帕尔玛的纠缠光子互相作用．不可思议的事就发生了,科研团队竟然可以在远方岛上利用另一枚纠缠态光子转化生产与第3个光子相同的东西,仿佛第3个光子瞬间超越了广阔的海洋一样．“这就像是取出了原本光子的信息,然后在远方重建它．”使用这种技术,蔡林格已经成功传送了几十个光子．

当然,这一实验达到的效果与人体等宏观物体的“瞬间移动”还相差甚远,但其影响力不可不谓之深远．不过,我们依然要清楚地意识到,这一所谓的传输,输送的只是光子的全部信息,然后异地重建.若有一天真的实现了人体的超距纠缠传输,将构成你身体的几百万兆个粒子中的信息传送到远端重建,那边的你还是你吗?

回到潘建伟院士的世界级科研成果:多光子纠缠和干涉度量,其实就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠．图3就是通过干涉形成双光子纠缠的方法:一个紫外光脉冲照射一种叫作BBO的晶体,可以有一定概率产生一对光子(记作o光子和e光子)．2个光子通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,就可以形成一个纠缠态|HH〉+|VV〉(即当o光子是H偏振时,e光子一定也是H偏振,反之当o光子是V偏振时,e光子一定也是V偏振)．

图3　双光子干涉和纠缠产生的光路示意图

当然,对于量子信息处理尤其是光量子计算的需求,处于纠缠态的光子数目越多越好．如果能够把这种双光子干涉产生纠缠的方法层层累加,扩展到更高级数,理论上就可以形成更多光子纠缠．但在实际的实验搭建过程中,随着纠缠光子数目的增多,要求干涉和测量的系统也就越复杂,一般来说每增加1个纠缠光子,光学干涉系统就要复杂1倍,纠缠态光子产生的难度也会随着光子数指数上升．而潘建伟院士团队从2004年开始,就通过一个个在国际上原创的多光子干涉和测量技术,保持着纠缠光子数的世界纪录．2004年在世界上第一个实现了5光子纠缠,2007年在世界上第一个实现了6光子纠缠,2012年在世界上第一个实现了8光子纠缠,并且保持该记录至今．很难想象“潘神迷宫”般的8光子纠缠光路(图4)是怎样的复杂、精巧,而又困难重重!

图4　实现8光子纠缠的光路图

基于一直以来的科研成果,早在2012年12月,世界顶级科学学术杂志《自然》就曾指出:“在量子通信领域,中国用了不到10年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,必将领先于欧洲和北美．”

(作者单位：清华大学附属中学永丰学校)