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Anton Zeilinger:量子物理学家,长期从事量子物理和量子信息方面的前沿研究,是国际上量子物理基础检验和量子信息的先驱。1997年,他和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成为量子信息实验领域的开山之作。他还与合作者提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态;在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验;进行量子力学非定域性检验……

因其杰出贡献,塞林格荣获了众多重要奖项,包括2007年度艾萨克·牛顿奖、2010年度沃尔夫物理学奖、2019年度墨子量子奖等。

大约从20世纪70年代 开始,人们开始在实验上深入探索量子世界,思考这个世界是否真的如此奇妙。当时并不是为了应用而进行实验,新生的婴 儿又能做什么呢?所以,我们之中的一些人在20世纪70年代和80年代早期所做的工作并没有什么实际用处,而后来我们却收获了惊喜。这是我生命中最大的惊喜之一,我确信这样的事情还会再发生。

相信大家对量子物理的一些基本概念已经有所了解了。我想从另外的角度来讨论这些概念。你们闲暇时可以思考一下这些与众不同的观念,也许会对你有所帮助。

从双缝实验说起

这幅图是尼尔斯·玻尔所绘画的双缝实验装置。玻尔是一名丹麦的理论物理学家,关于量子力学,他和爱因斯坦有过激烈的讨论,大家一定听说过这些故事。

请注意图中最前面的那条缝,它在这个实验中非常重要,它使得光源保持稳定,这样才能看到干涉条纹。当一束光——也可以是其他东西,如电子——到达并透过第一条缝,然后穿过中间的两个缝隙,你会在观察板上看到明暗相间的条纹。从波的角度出发,这很好理解,但是如果我们只让一个粒子穿过,会发生什么呢?当只有一个粒子穿过时,这个可怜的粒子会怎样呢,它会落在哪里?

情况似乎是这样的:当一个粒子落在了某处,你发射第二个粒子,它也会落在某处。如果你发射了成千上万个粒子,这些粒子将会飞过缝隙,产生成千上万个落点——最后你会看到明暗相间的条纹。然而,只要你关闭其中任一条缝隙,这些条纹都将会消失。也就是说,基本上每个穿过缝隙的光子都知道这两个缝隙是打开的还是关闭的。

这时爱因斯坦会说:“光子本来就必须穿过这两个缝隙之一,不是吗?这有什么意义,只是换个方式表述了而已。”这是爱因斯坦1909年所说的。他认为,一个光子只能从这里或者那里穿过,所以条纹只会在很多光子同时穿过时出现。它们相遇,互相交流信息,知道哪条缝隙是打开、哪条是关闭的,从而它们可以重新设置自身的“性质”。

现在已经有很多实验可以一次只让一个粒子通过。那么,答 案是什么呢?目前的观点是,一个粒子可能经过宇宙中的任意一条路径,要想观测到明暗相间的干涉现象,这只有在没有路径信息的时候才能做到。这就是信息所扮演的角色。很重要的一点是,问题的关键不在于你是否一直盯着粒子看,而是你是否得到了粒子行走路径的信息。

双缝干涉实验通常使用光子进行实验,不过原则上讲,没道理大的粒子就不会发生干涉。但这对于实验学家来说,是一项巨大的挑战。我们在国际上率先开展了中子、原子、大分子的量子干涉实验。

再提一个很有名的概念——“薛定谔猫”叠加态,我们不讨论很多细节。有人说这只猫是死或生的,这是一个错误的说法,应当说它是处在死和生的叠加态。那么,我们能在多大的系统里观测到这样的叠加态呢?它对系统的尺度有没有限制?这成为实验上的挑战。甚至,我们能在生命系统中观测到叠加态吗?我的答 案是,可以!当然,在生命系统中,很多相关的领域都还是空白。

还有一个相关的概念——随机性,这是一个有争议的概念。假设我们有一个非常弱的光源,发出的光通过一个玻璃片。这个玻璃片是一面镜子,却不是一面很好的镜子,它会反射一半的光,然后让另外一半透过去。想象你站在商店的橱窗前,你能看到店里的东西,也能看到自己,它就是这样的一面镜子。

那么,大家都来思考一下:如果单个的光子或单个的其他粒子来到镜子上,会发生什么呢?这个粒子会做什么?它会穿过去还是被反射?量子物理告诉我们,它不可再分,所以它必须做一个决定。两边都有一个探测器,当这个光子被反射了,我们称这件事为“0”,当它穿过去了,我们称之为“1”。

当然,刚才描述它的方式是错误的,因为这个粒子并不是去这里或者去那里——它是以两条路径的叠加态形式传播,就像在双缝实验中那样。它并不知道自己在哪,没人知道它在哪。但是当你在路径上放了探测器,某个时刻,粒子“啪”的一下撞击了其中一个探测器,这时候,这个粒子的叠加态就塌缩到了这里,也就再也不会出现在另一个探测器上了。在1927年,这样的事情让爱因斯坦感到非常困惑。

另外,这个实验除了作为一个有趣的现象,还可以为你提供一串随机数。当你一个接一个去做很多次这样的测量,你会得到一串随机数。这也是潘建伟教授团队所从事的一个重要工作。

现在的问题是,我们能否从原则上解释:为什么在这种情况下光子会被反射,而在另外一种情况下光子会穿过去?量子力学并没有给我们解释。或许不是所有人都同意,但我个人的诠释是,这是一种新的随机性,一种在经典图像下不存在的随机性。这一随机性不是由于我们没有足够的信息,而是由于这个世界本身就没有足够的信息。这是我个人的观点,也是海森堡和玻尔等人的观点。但爱因斯坦不这么认为,他是不喜欢这个观点的人之一。他有一句很著名的话:“上帝不掷骰子”。而玻尔回答他“不要教上帝怎么掌管这个世界”。这个回答很棒,我想这个世界上唯一敢于教上帝怎么掌管世界的人就是爱因斯坦了。

当一个粒子或其他物体处在两个概率事件的叠加态时,我们称其为量子比特(qubit)。一个简单的开关,只有开或关两个状态(让它们分别对应“0”、“1”),可以看做是一个比特。如果我们进行打开或关闭的动作,两个状态的切换就会立马实现,而一个量子比特会是两个状态的叠加态。问题是你没办法去观测它,在你观测它的一瞬间,它就会塌缩成开或关。但我们只需要想象一下,这东西是0“和”1。“和”这个字在这里有了新的含义,它的含义和经典物理中不一样,它代表着所有你可能测到的态。

量子纠缠

1935年,爱因斯坦和波多尔斯基(Boris Podolsky)、罗森(Nathan Rosen)一起发表了一篇文章,题目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?”(“量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗?”)。这就是著名的EPR文章。在文章中他们提出,如果有两个粒子,它们相互作用后分开,这样就会出现对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的情况。爱因斯坦不喜欢这种事情,并且将其称为“幽灵般的超距作用”。对于这篇文章,《纽约时报》评论道:“爱因斯坦攻击了量子理论:一位科学家和他的两个同事发现它不完备”。如果你和爱因斯坦一起发表文章,你就不被称为“科学家”了,仅仅是个“同事”。

随后,薛定谔用了一个非常漂亮的词语来描述这件事。他使用了德语“Verschr nkung”,意思是两个物体关联了起来。但对应的英文翻译“Entanglement”表意很糟糕,就像在表示一团乱麻。相比下,德语名字就好多了,它指的是两个事物之间非常好的关联,这个关联可能在未来被用以实现“纠缠的骰子”。我们现在买不到它,也许在未来的50年内可以买到。所谓纠缠的骰子就是指,无论这对骰子相距多远,如果你扔了一个6,那么另一个也会是6;如果你扔了一个3,那么另一个也会是3;以此类推。它们完美同步,但实际上它们之间并没有连接起来。薛定谔表示这不是我们现在已知的物理,这是新的物理现象。

量子密码学

现在我们开始讨论量子密码学。量子密码学有趣的地方是,两个人用经典的信道来交换信息,然后他们使用量子信道来建立秘钥。你可以让窃 听者操作所有的信道,但只要你操作正确,就算是Makarov教授(注:一位著名的量子黑客)来做信道攻击,你仍然是完全安全的,窃 听者无法获得任何信息。实现的方法之一就是利用纠缠。

首先,我们生成一对纠缠的光子,比如它们在偏振维度发生纠缠,然后把它们往两端传输。这时,位于两端的Alice和Bob测量它们的偏振。在每一端,都能测到垂直或水平偏振,也就是0或者1。重点是,如果Alice和Bob在两端进行同样方式的偏振测量,那么两人的结果就会完美相关:要么都是0,要么都是1。

Alice和Bob获得了两个随机数序列,它们是完美关联的,也就是同时在两地生成了秘钥。注意,在这种方式中你不需要传输秘钥,它是由阿图尔·埃克特(Artur Ekert)最早提出的。你需要做的是,首先对原始数据加密。比如Alice想要发送一张图片,那么我们将要发送的图片和Alice的秘钥这两组数据混合成一幅图,这就是传输过程中间的加密图片。由于采用“一次一密”的加密技术,其他人无从破解这张图到底是什么。但是Bob有相同的秘钥,他可以一个比特、一个比特地将这幅图解码出来。

量子隐形传态

量子隐形传态(quantum teleportation),这是一种奇特的量子现象,你们或许听过它。

在科幻作品中,量子隐形传态大概就是大喊一声:“Scotty,传送我”(注:《星际迷航》中的经典台词)。那你们知道为什么在电影中会这么拍吗?电影中这么拍是为了节省制作成本!一艘飞船到达地面,你看着它着陆,拍摄这样的场景是很贵的。但是拍摄一束光把人传过去的场景就不贵了。

电影中的设定是扫描信息、传输信息,然后重组物质。这个设定已经被很多人批评,因为这是不可能实现的。由于量子力学原理,如果你只有一个系统,我们是无法获得系统的所有信息的。海森堡,量子力学奠基人之一,说“不可能完全测量出系统状态的全部信息”。所以电影制作人私下里发明了“海森堡补偿”的概念,当然这实际上并不存在。

正如海森堡所说,你无法完整的测量出要传输的初态的信息,而量子隐形传态妙就妙在:你并不测量要传输的初态,你仅仅只是利用了纠缠。借助量子纠缠,我们可以将未知的量子态传输到遥远的地点。1997年,我和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,实验非常成功。潘建伟也是这一个实验的重要参与者之一。

在最初的实验中,我们所实现的传输距离很短。后来,我们又完成了跨越多瑙河的量子隐形传态实验,以及非洲加那利群岛之间的远距离纠缠和隐形传态实验。岛屿之间的距离是百公里左右,在很长时间内这都是纠缠分发的最长纪录。现在很显然,它被“墨子号”量子卫星打败了。

墨子是中国古代的一位哲学家,他是第一个证明光沿直线传播的人。你可能会说,这不是很显然的吗?但它是需要证明的。“墨子号”量子卫星的命名就是为了纪念他。通过“墨子号”量子卫星,科学家们不仅实现了千公里级的纠缠分发和量子隐形传态,还实现了第一个洲际量子通信实验。

未来可以做什么

中国在远距离量子通信领域已经领先于世界。通过“墨子号”量子卫星以及上海和北京之间的量子“京沪干线”,他们在千公里级距离上实现了纠缠分发和量子通信。全球性量子网络的远景也很令人振奋:地面上,我们有局域网,通过空气和光纤来传播光子;然后建立地面和量子卫星的联系,从而把信号传到世界上任何一个地方。我们也想在欧洲建立一个量子网络,不过尺度比中国的要小得多。

我相信,我们会为未来的发展感到震惊。

来源:墨子沙龙 注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!阅读更多内容狠戳这里分享到我来说几句还没有人评论哦,抢沙发吧~文章来源于互联网:量子世界从双缝实验说起:概念基础到技术应用

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