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“纠缠”也很美丽

2023-02-15文/晓

科学24小时 2023年1期
关键词:塞林格克劳远距离

文/晓 阳

量子技术是当今世界最难懂的技术之一,因为它起源于更难懂的量子科学。目前只有少数人才通晓的前沿量子科技,却逐渐成为推动人类文明进步的重要力量。因此,诺贝尔物理学奖评奖委员会特别青睐这个领域的研究。美国科学家约翰·克劳泽、法国科学家阿兰·阿斯佩和奥地利科学家安东·塞林格就是量子科技领域的大咖,他们用光学实验证明贝尔不等式不成立,并开创了量子信息科学。他们三人因在量子纠缠领域所作出的突出贡献,获得了2022 年诺贝尔物理学奖。

贝尔不等式与量子力学的矛盾

1935 年,阿尔伯特·爱因斯坦等人在一篇论文中提出,量子力学允许粒子之间存在某种奇特的关联,这就是“量子纠缠”。比如,如果在实验室中制造出一对具有量子纠缠特性的电子,那么它们的总角动量为零。量子纠缠理论超越常识的是,粒子可以远距离纠缠。也就是说,不论它们相隔多远,都能存在一定的关联。

当然,爱因斯坦并没有见过量子纠缠,他只是推算出微观粒子具有量子纠缠的特性。爱因斯坦甚至怀疑量子纠缠中的远距离作用,他认为不太可能凭空出现2 个远距离纠缠状态的粒子,一定有一些未知的隐藏变量在推动这些远距离粒子出现纠缠的状态,这被称为“隐变量理论”。它隐藏的含义为量子力学是一门不完备的科学。

根据隐变量理论,英国科学家约翰·斯图尔特·贝尔于1964 年提出了贝尔不等式。根据这个不等式,如果量子纠缠存在隐藏变量,那么大量的测量结果之间的相关性永远不会超过某个数值。如果贝尔不等式成立,就意味着隐变量理论也成立。要是能用实验证明贝尔不等式不成立,就表明量子力学的预言正确。几十年来,人们就把贝尔不等式成立与否作为判断量子力学与隐变量理论孰是孰非的试金石。

实验验证贝尔不等式不成立

自贝尔不等式被提出之后,物理学家就开始尝试用实验来证明贝尔不等式是否成立。1972 年,约翰·克劳泽率先完成了这一实验,他通过激光照射钙原子来产生一对具有量子纠缠特性的光子,每个光子射向不同的滤光片,以此来测量纠缠光子的偏振状态。他的实验结果证明了贝尔不等式不成立,支持了量子力学。

不过,一些科学家认为他的这个实验还存在种种不足和漏洞。比如,滤光片处于固定角度,制备和捕获粒子的效率太低,纠缠粒子之间距离太近,等等,其结果并不具备说服力。尽管面对诸多质疑,但克劳泽一直坚持着光子纠缠的实验方向,并对实验进行了不懈改进,最终证明了超远距离的量子纠缠确实存在。

此后,不少科学家也参与到了给光子纠缠实验弥补漏洞的研究中。1982 年,阿兰·阿斯佩对克劳泽的实验进行了重大改进。他开发了一种新设备,能够在纠缠的光子离开发射设备后,迅速调整滤光片的角度,以此堵住“滤光片处于固定角度”的实验漏洞。

之后,越来越多的人继续努力改进这个实验,而安东·塞林格的贡献无疑很大。2015 年,他完成了无任何漏洞的实验,证明了贝尔不等式不成立。从此,科学界对量子力学再无质疑。在“弥补漏洞”的过程中,他还完成了量子信息传输的实验。1997 年,他成功地把一个光子的任意偏振态,完整地传输到另一个光子上,这是科学家首次在实验室里完成量子信息传输。

塞林格是中国科学院外籍院士,同时也是我国量子科技领军人物潘建伟院士的博士生导师。他积极推动我国和奥地利的国际学术交流与合作。利用“墨子号”量子科学实验卫星,他的团队参与了中国科学院主导的洲际量子通信实验,该成果入选美国物理学会评选的“2018 年度国际物理学十大进展”。

克劳泽、阿斯佩和塞林格的光子纠缠实验示意图

发展量子信息技术

以上三位获奖的科学家对量子纠缠的研究,证明了量子纠缠可以远距离完成,其最大的现实应用价值就在于推动现代量子信息技术的发展,尤其是量子通信和量子计算。当前,量子力学逐渐开始得到应用,有关量子计算机、量子网络和量子加密通信的研究越来越得到重视。

未来将是智能化的社会,智能汽车、智能机器人、智能家居将进入寻常百姓家。但在整个社会智能化之前,需要先解决信息安全的问题,这个问题的破解方法就是发展量子通信。量子通信是使用量子态携带所要传送的信息,并把量子纠缠作为信道,将该量子态从A 地传送到B 地的一种通信方式。量子通信利用单个光量子不可分割和量子不可克隆的特性,确保量子信道内传递的信息不会被窃取,是迄今唯一被严格证明的绝对安全的通信方式。

诺贝尔物理学奖评委托尔斯·汉斯·汉森在现场解读获奖成果时,展示了一张含有我国量子卫星的图片。他表示,中国在量子卫星和量子通信研究方面走在了世界前列。量子通信技术第一次从科学家的实验室走向大众视野,源于1997 年《自然》杂志上刊登的一篇题为《实验量子隐形传态》的研究论文,该成果被公认为量子通信实验领域的开山之作,这篇论文的作者就是我国著名科学家潘建伟。2016年,我国成功发射了世界上首颗量子卫星“墨子号”。2017 年,我国建成全球首条长达2000 多千米的商用量子保密通信线路— —“京沪干线”。

1900 年,德国科学家马克斯·普朗克提出了量子的概念。自那以后的120 多年里,量子科技快速发展,改变世界的新成果不断涌现。在数代科学家的努力下,量子科技革命的浪潮正滚滚而来,它终将推动人类文明再上新台阶。

量子纠缠可以用于远距离传输信息

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