哆啦A梦的传送门指日可待?用苹果让你看懂获2022诺奖的量子纠缠

北京时间2022年10月4日下午17点45分,2022年诺贝尔物理学奖在斯德哥尔摩正式揭晓,法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger共享殊荣。诺奖官方给出的获奖理由是,表彰他们“进行了纠缠光子的实验,确立了对贝尔不等式的不成立,并开创了量子信息科学

(图片来源:诺奖官网)

本次获得诺贝尔奖的三位科学家,从理论上证明了量子纠缠的可行性,是量子通信领域的奠基人。他们的成就让量子通信的实施和量子计算机的搭建成为可能,这是可能在未来彻底颠覆人类现有科技体系的重大成就。三位科学家2010年即获得了有“小诺贝尔奖”之称的“沃尔夫奖”,十余年来始终是诺贝尔物理学奖的热门候选人。

和集成电路、蓝光LED等其它利用了量子技术的众多有形成果不同,量子科学本身具有高度的抽象性。这也是为什么对于普通公众来说,对量子通信的认识容易处于一种看不见摸不着的懵懂状态。在这里,笔者给自己定了个小目标——这篇文章将不会出现艰深的专门用语,而是尽量利用生活中的简单例子让大家对量子科学和量子通信有一个感性的认识。

快来花几分钟时间,了解一下人类最前沿的科学技术(之一)吧。

量子纠缠想象图(图片来源:诺奖官网)

我的地盘我做主,欢迎来到量子世界

经过一百多年的发展,量子科学的相关研究本身已经形成了枝繁叶茂的庞大系统,它的正确性也在不断得到验证。但是,不得不承认,量子科学的诸多规律与我们在宏观世界中的日常经验完全不同,笔者在硕士阶段学习相关课程时,也时常感到不可思议甚至是不愿相信。为了便于大家理解后面的内容,我们先用打比方的形式来举几个能体现量子世界奇妙性的例子。

在举例子之前,让我们先记住一些“设定”——当物理学研究对象本身的维度进入到微观领域时,量子理论就将掌控各种自然规律。微观量子世界中,“居民们”的第一条特性就是量子化。质量、能量等若干物理量,将从宏观世界中的连续变化呈现为间断性变化,体现出量子特征。

举个不太确切的例子,宏观世界的苹果,有大有小,苹果的大小可以连续变化。比如我们采摘一百颗苹果,它们的大小可能是0.1千克到1千克中的任意取值。而微观世界中的苹果,大小就不是连续变化的了,而是相当于某个基础苹果尺寸的整数倍,不存在其它尺寸的微观苹果。

在量子力学的世界中,很多物理量都是某一基础值的整数倍(图片来源:作者自制)

量子世界中,各种微观粒子都在一刻不停地进行着各种形式的运动,或者说,它们的状态在一刻不停地发生着变化。这与我们的日常经验倒是没有太大冲突,毕竟运动是永恒的,静止是相对的。但在量子世界中,粒子的运动具有天然的随机性,任何一个时刻,如果不进行测量,谁都无法知道微观粒子到底运动到了什么地方。

我们还是以苹果为例,宏观世界的苹果,成熟后就会掉落到地上,假设我们从苹果脱离苹果树的一刻开始进行计算,那么我们能够根据牛顿定律推算出苹果在落地前任意时刻的位置和速度。可是假如到了微观世界,苹果下一秒出现在哪里我们是无从得知的,只能给出一个概率,指出它大概在哪里。

量子世界的另外一个神奇之处在于,我们的观测会影响到微观粒子的状态。宏观世界的苹果,不管我们有没有盯着看,它们在短时间内颜色始终是固定的,要么是一颗青苹果,要么是一颗红苹果。不管你有没有闭上眼睛,苹果的颜色不会发生变化。而微观世界的苹果呢?在我们没有进行观测之前,微观苹果的状态是随机的,可能是红也可能是绿。一旦我们睁眼观察,微观苹果的状态就会固定,呈现绿色或者红色。

量子力学奠基人群像(1927年第五次索尔维会议),(图片来源:公有领域)

量子纠缠——粒子间的“心灵感应”

说完了量子世界中的一些基本原理,我们来看看量子纠缠和量子通信到底是怎样的概念。

量子纠缠是量子世界中,一个非常玄幻的现象。一旦一对(或者多个)微观粒子处于纠缠态,它们之间就会发生相互影响,当一颗粒子的状态发生变化,另外一颗也将瞬间随之变化。最为神奇的是,这种纠缠并不是宏观意义上真的像线团一样的绕在一起,而是可以在非常遥远的距离上实现。

下面我们来看例子,假如两颗微观小苹果处于纠缠态,那么当其中一颗呈现绿色的时候,另外一颗就瞬间呈现红色。即便它们一颗在金星,一颗在火星,这种状态变化仍然会穿越时空,在瞬间发生。

量子纠缠如此神奇,因此它的概念一经提出,立刻成为了诸多科学狂想的理论基础,其中比较典型的是瞬间移动和量子通信。所谓的瞬间移动就是哆啦A梦的传送门,可以将人或者物体在瞬间传送到很远的地方。不得不说,虽然量子纠缠有一点瞬间移动的意味,但发生移动的并不是实体,而仅仅是状态,并且是微观粒子的某些特殊状态。所以,瞬移到底有没有实现可能,并不是量子纠缠能够回答的。

一种制备纠缠光子对的方法,(图片来源:维基百科,作者:老陈)

量子通信,让科学狂想照进现实

不过,量子通信倒是确确实实已经成为了人类目前的研究热点之一,它的理论基础便是量子纠缠。试想,当两个粒子处于纠缠态,不论相隔多远,一旦其中之一的状态被我们观测确定,另外一个的状态也就随之固定。也就是说虽然不能传送实体,但是可以传送信息,这不就是现代通信在做的事情吗

实际的量子通信当然非常复杂,不过我们仍然可以用打比方的形式尽量通俗地理解量子通信的实施过程。

首先,我们需要在微观果园里,培育两颗满足量子纠缠状态的小苹果,它们一颗绿色,一颗红色,且某一颗变色后另外一颗就会同时瞬间变色。下面我们把两颗小苹果中的一颗送去火星,另外一颗就在地球。此时它们还不具备传送信息的能力,所以我们还需要引入一颗专门进行控制的小苹果。

当我们把第三颗小苹果靠近地球上的小苹果时,地球上的小苹果就会发生状态改变,比如红色变绿色。此时火星上的小苹果就会瞬间感应到这种变化,从绿色变成红色。如此一来,就完成了一次信号的传递。之后,如果我们把地上的第三颗小苹果拿走,第一颗小苹果就会瞬间变回红色,而火星上的第二颗小苹果就会瞬间变成绿色。即便是红绿两种状态,也可以定义为二进制计算机中的0和1,假如第三颗小苹果靠近和拿走的速度足够快,我们就足以在短时间内传递丰富的信息。

不得不说,从普通人的视角来看,量子纠缠实在是太“邪乎”了,就算是黑洞都没有这么让人难以接受。可是,它确实是物质世界的基本规律,正如诺贝尔奖委员会在奖项宣布时所说,量子纠缠并非是科学极客的自娱自乐,更不是科学幻想,它切实存在于我们每一个人的身边。

值得一提的是,2018年中国墨子号量子通信卫星完成洲际间量子通信实验的事例也出现在了奖项宣布时的官方PPT中,这是对中国在此领域取得成就的巨大肯定,也让我们共同期待更多的进展。

出现在诺奖官方PPT中的中国墨子号(图片来源:诺奖官网)

无论是昨天的生理或医学奖,还是今天的物理学奖,今年的诺奖似乎对基础研究更加青睐,不知道化学奖将会花落谁家呢?让我们拭目以待。

作者:大阪大学张昊
链接:https://www.zhihu.com/question/557632336/answer/2701492138
来源:知乎
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出品:科普中国

作者:张昊

监制:中国科普博览

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