站长在线 互联网 今年的诺贝尔物理学奖为何会授予量子纠缠

今年的诺贝尔物理学奖为何会授予量子纠缠

据新华社报道,瑞典皇家科学院10月4日宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约…

据新华社报道,瑞典皇家科学院10月4日宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格,以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。

对于一般人来说,量子科学和量子纠缠是极为高端的理论,绝大部分人都不可能懂得和理解。对此,瑞典皇家科学院的解释也尽量通俗化,简要描述了阿斯佩、克劳泽和蔡林格的研究成果。他们三人各自使用纠缠量子态进行了开创性实验,其中两个粒子即使在分离时也表现得像一个单元。他们的结果为基于量子信息的新技术扫清了道路。

什么是量子纠缠?

量子力学有不可言喻的巨大影响,并且开始得到应用。量子力学的应用领域并非以前认为的是非常尖端和有很大的局限性,而是有宽广的研究和利用领域,包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。量子力学应用和发展的一个关键因素是,如何允许两个或多个粒子以所谓的“纠缠态”存在。“纠缠态”中的一个粒子发生的事情,会决定另一个粒子发生的事情,即使它们相距很远。

显然,瑞典皇家科学院的解释也没有办法让太多的人弄懂,因此,可以再降维一些来解释,并结合量子通信来理解。所谓量子是指能表现出某物质或物理量特性的最小单元。一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

粒子又是指能够以自由状态存在的最小物质组成部分。因此,物理学上把由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象称为量子纠缠。爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般超距作用”(鬼魂似的远距离相互操作作用),而且,爱因斯坦在注意到纠缠量子态令人费解的性质后,怀疑量子力学不是一个完整的理论。

通俗地讲,量子纠缠就是最小的物质,如粒子(光子)、原子之间的接触、叠加、缠绕,好似信息传递和交流的混沌状态,正因为有这样的交流,可以让量子通信、量子计算机、量子互联网得以实现。然而,信息的传播需要媒介,如空气(声波)、水(波)、电(波)和光纤等,有了这些媒介,还需要对信息的兼容和理解(如同一语言,英语或汉语),以及信息抵达时接收的接口。

▲2022年诺贝尔物理学奖公布现场。图/新华社

量子纠缠的用武之地

现在,人类的通信有QQ、微信等,即便如此,人们也还感到比较慢,而且并不安全,因此量子纠缠就有了用武之地。

2010年,美国加州理工学院研究团队实现了4个量子接口之间的纠缠。之后清华大学段路明团队通过光束复分技术,在实验中首次实现了25个量子接口之间的量子纠缠,比此前最高纪录的4个量子接口之间的纠缠提高了约6倍。这也意味着未来不仅通过量子接口可以实现量子通信和量子互联网的联网,而且通信和网速将极大地提高。

此外,公开资料显示,2017年,中国科学院院士潘建伟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星进行试验,在1200千米的通信距离上,以卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子,一次过轨对接实验可生成300kbit的安全密钥,平均成码率可达1.1kbps。

这个技术称为星地双向量子纠缠分发,其传输效率比目前同等距离地面光纤信道高出20个数量级,即提升万亿亿倍。这好比一个人步行到火星(如果有道路的话)与光速(光波或电磁波在真空或介质中的传播速度,每秒30万千米)到达火星之间的差距。

2018年,芬兰阿尔托大学教授麦卡·习岚帕团队成功地对两个独自振动的鼓膜进行了量子纠缠。每个鼓膜的宽度只有15微米,约为头发的宽度,是由1015个金属铝原子制成。通过超导微波电路,在接近绝对零度(-273°C)下,两个鼓膜持续进行了约30分钟的互动。

这些研究已经证明,量子纠缠并非鬼魅的相互操作,也非心灵感应,而是实际存在。但是,它们是基于阿斯佩、克劳泽和蔡林格的研究成果。

关键在于,上世纪60 年代,约翰·斯图尔特·贝尔提出了贝尔不等式,说明如果存在隐藏变量,则大量测量结果之间的相关性永远不会超过某个值。然而,克劳泽设计了实验进行测量,通过明显违反贝尔不等式证明了量子力学的实际意义,意味着量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代。

阿斯佩也设计了一个实验,证明两个粒子的波函数之间的相关性仍然存在,因为它们曾经是相同波函数的一部分,而在测量其中一个粒子之前是没有受到干扰的。

蔡林格团队则通过实验证明了一种称为量子隐形传态的现象,它可以将量子态从一个粒子移动到远距离的一个粒子。

有了这三人的开创性工作,现在量子通信和量子计算机已初显端倪。2019年,谷歌公司称,他们已经能够利用一台53量子比特的量子计算机,实现传统计算机无法完成的任务。这一量子计算机在3分20秒内完成特定任务的运算,如果让目前世界性能最好的超级计算机之一——美国能源部橡树岭国家实验室的Summit执行同样任务,大约需要一万年时间。

尽管后来谷歌撤回了这一论文,但也说明,量子力学和量子纠缠将在网络、IT和计算机方面大有用武之地。所有这一切都有赖于阿斯佩、克劳泽和蔡林格的研究成果。今年的诺贝尔物理学奖授予他们正是对量子力学和量子纠缠理论的承认。

不过,未来这一理论可能还要经受长期的检验。

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作者: 小蜗牛

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