▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。圖/諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)
據(jù)新華社報(bào)道，瑞典皇家科學(xué)院10月4日宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻(xiàn)。
對于一般人來說，量子科學(xué)和量子糾纏是極為高端的理論，絕大部分人都不可能懂得和理解。對此，瑞典皇家科學(xué)院的解釋也盡量通俗化，簡要描述了阿斯佩、克勞澤和蔡林格的研究成果。他們?nèi)烁髯允褂眉m纏量子態(tài)進(jìn)行了開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，其中兩個(gè)粒子即使在分離時(shí)也表現(xiàn)得像一個(gè)單元。他們的結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路。
什么是量子糾纏？
量子力學(xué)有不可言喻的巨大影響，并且開始得到應(yīng)用。量子力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域并非以前認(rèn)為的是非常尖端和有很大的局限性，而是有寬廣的研究和利用領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。量子力學(xué)應(yīng)用和發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是，如何允許兩個(gè)或多個(gè)粒子以所謂的“糾纏態(tài)”存在。“糾纏態(tài)”中的一個(gè)粒子發(fā)生的事情，會(huì)決定另一個(gè)粒子發(fā)生的事情，即使它們相距很遠(yuǎn)。
顯然，瑞典皇家科學(xué)院的解釋也沒有辦法讓太多的人弄懂，因此，可以再降維一些來解釋，并結(jié)合量子通信來理解。所謂量子是指能表現(xiàn)出某物質(zhì)或物理量特性的最小單元。一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。
粒子又是指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分。因此，物理學(xué)上把由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象稱為量子糾纏。愛因斯坦將量子糾纏稱為“幽靈般超距作用”（鬼魂似的遠(yuǎn)距離相互操作作用），而且，愛因斯坦在注意到糾纏量子態(tài)令人費(fèi)解的性質(zhì)后，懷疑量子力學(xué)不是一個(gè)完整的理論。
通俗地講，量子糾纏就是最小的物質(zhì)，如粒子（光子）、原子之間的接觸、疊加、纏繞，好似信息傳遞和交流的混沌狀態(tài)，正因?yàn)橛羞@樣的交流，可以讓量子通信、量子計(jì)算機(jī)、量子互聯(lián)網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)。然而，信息的傳播需要媒介，如空氣（聲波）、水（波）、電（波）和光纖等，有了這些媒介，還需要對信息的兼容和理解（如同一語言，英語或漢語），以及信息抵達(dá)時(shí)接收的接口。
▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布現(xiàn)場。圖/新華社
量子糾纏的用武之地
現(xiàn)在，人類的通信有QQ、微信等，即便如此，人們也還感到比較慢，而且并不安全，因此量子糾纏就有了用武之地。
2010年，美國加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了4個(gè)量子接口之間的糾纏。之后清華大學(xué)段路明團(tuán)隊(duì)通過光束復(fù)分技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏，比此前最高紀(jì)錄的4個(gè)量子接口之間的糾纏提高了約6倍。這也意味著未來不僅通過量子接口可以實(shí)現(xiàn)量子通信和量子互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，而且通信和網(wǎng)速將極大地提高。
此外，公開資料顯示，2017年，中國科學(xué)院院士潘建偉等人利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，在1200千米的通信距離上，以衛(wèi)星上量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號(hào)光子，一次過軌對接實(shí)驗(yàn)可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達(dá)1.1kbps。
這個(gè)技術(shù)稱為星地雙向量子糾纏分發(fā)，其傳輸效率比目前同等距離地面光纖信道高出20個(gè)數(shù)量級(jí)，即提升萬億億倍。這好比一個(gè)人步行到火星（如果有道路的話）與光速（光波或電磁波在真空或介質(zhì)中的傳播速度，每秒30萬千米）到達(dá)火星之間的差距。
2018年，芬蘭阿爾托大學(xué)教授麥卡·習(xí)嵐帕團(tuán)隊(duì)成功地對兩個(gè)獨(dú)自振動(dòng)的鼓膜進(jìn)行了量子糾纏。每個(gè)鼓膜的寬度只有15微米，約為頭發(fā)的寬度，是由1015個(gè)金屬鋁原子制成。通過超導(dǎo)微波電路，在接近絕對零度（-273°C）下，兩個(gè)鼓膜持續(xù)進(jìn)行了約30分鐘的互動(dòng)。
這些研究已經(jīng)證明，量子糾纏并非鬼魅的相互操作，也非心靈感應(yīng)，而是實(shí)際存在。但是，它們是基于阿斯佩、克勞澤和蔡林格的研究成果。
關(guān)鍵在于，上世紀(jì)60 年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了貝爾不等式，說明如果存在隱藏變量，則大量測量結(jié)果之間的相關(guān)性永遠(yuǎn)不會(huì)超過某個(gè)值。然而，克勞澤設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量，通過明顯違反貝爾不等式證明了量子力學(xué)的實(shí)際意義，意味著量子力學(xué)不能被使用隱藏變量的理論所取代。
阿斯佩也設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明兩個(gè)粒子的波函數(shù)之間的相關(guān)性仍然存在，因?yàn)樗鼈冊?jīng)是相同波函數(shù)的一部分，而在測量其中一個(gè)粒子之前是沒有受到干擾的。
蔡林格團(tuán)隊(duì)則通過實(shí)驗(yàn)證明了一種稱為量子隱形傳態(tài)的現(xiàn)象，它可以將量子態(tài)從一個(gè)粒子移動(dòng)到遠(yuǎn)距離的一個(gè)粒子。
有了這三人的開創(chuàng)性工作，現(xiàn)在量子通信和量子計(jì)算機(jī)已初顯端倪。2019年，谷歌公司稱，他們已經(jīng)能夠利用一臺(tái)53量子比特的量子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)。這一量子計(jì)算機(jī)在3分20秒內(nèi)完成特定任務(wù)的運(yùn)算，如果讓目前世界性能最好的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一——美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的Summit執(zhí)行同樣任務(wù)，大約需要一萬年時(shí)間。
盡管后來谷歌撤回了這一論文，但也說明，量子力學(xué)和量子糾纏將在網(wǎng)絡(luò)、IT和計(jì)算機(jī)方面大有用武之地。所有這一切都有賴于阿斯佩、克勞澤和蔡林格的研究成果。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予他們正是對量子力學(xué)和量子糾纏理論的承認(rèn)。
不過，未來這一理論可能還要經(jīng)受長期的檢驗(yàn)。
撰稿 / 張?zhí)锟保▽谧髡撸?/p>
編輯 / 馬小龍
校對 /劉越
