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陈根:2022诺奖背后,量子纠缠开启量子通信

文/陈根

       北京时间 10 月 4 日17 时 45 分,2022 年诺贝尔物理学奖公布,授予法国学者阿兰·阿斯佩(Alain Aspect) ,美国学者约翰·克劳泽(John Clauser)和奥地利学者安东·蔡林格(Anton Zeilinger),以表彰他们“用纠缠光子进行实验,证伪贝尔不等式,开创量子信息科学”。

       今年的诺贝尔物理学奖授予这三名物理学家,既是因为他们的先驱研究为量子信息学奠定了基础,也是对量子力学和量子纠缠理论的承认。而展望未来,量子纠缠最为诱人的应用就是量子计算机和量子通信,其中包括量子信息、量子加密、量子传输等等,量子时代正在加速到来,人类也将经历一场全面的革新。

“幽灵般的超距作用”

       此次获奖的核心,就在于“量子纠缠”。

       通俗而言,两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事,好像有一根无形的线绳牵着他们,这种神奇现象可谓“心灵感应”。

       与此类似,量子纠缠则是指在微观世界里,有共同来源的两个微观粒子之间存在纠缠关系,这两个纠缠在一起的粒子就好比是一对有心电感应的双胞胎,不论两人距离多远,千米量级或者更远,只要当其中一个人的状态发生变化时,另一个人的状态也会跟着发生一样的变化。也就是说,不管这两个粒子距离多远,只要一个粒子的状态发生变化,就能立即使另一个粒子的状态发生相应变化。

       不过,在更早以前,量子纠缠并不是一个被认同的存在。爱因斯坦和玻尔都是量子力学的开创者和奠基人,但他们对量子理论的诠释却是各执己见,针锋相对。其中,爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括。爱因斯坦强调量子力学不可能有超距作用,意味着他坚持经典理论的“局域性”。

       爱因斯坦认为:经典物理中的三个基本假设——守恒律、确定性和局域性,局域性应当是经典力学和量子力学所共有的。其中,守恒律指的是一个系统中的某个物理量不随着时间改变的定律,包括能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。确定性说的则是从经典物理规律出发能够得到确定的解,例如通过牛顿力学可以得到物体在给定时刻的确定位置。

       局域性也叫作定域性,即认为一个特定物体只能被它周围的力影响。也就是说,两个物体之间的相互作用,必须以波或粒子作为中介才能传播。根据相对论,信息传递速度不能超过光速,所以,在某一点发生的事件不可能立即影响到另一点。因此,爱因斯坦才会在文章中将两个粒子间瞬时的相互作用称为“幽灵般的超距作用”。值得一提的是,量子理论之前的经典物理也都是局域性理论。

       实际上,早在1935年,爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》,后人称之为EPR文章,EPR即是三人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论,爱因斯坦认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

       与爱因斯坦的观点不同,玻尔则认为,爱因斯坦总是将观测手段与客观世界截然分开,这是不对的。以玻尔为代表的哥本哈根学派认为观测手段会影响结果,微观的实在世界只有与观测手段一同被考虑才有意义。在观测前谈论每个粒子的状态如何没有任何实际意义。并且,因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体,因此,只有用波函数描述的整体才有意义,人们不能将它们视为相 隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体,它们之间便无须传递什么信息。

       也就是说,EPR佯谬只不过表明了两种哲学观——爱因斯坦的“经典局域实在观”和哥本哈根学派的“量子非局域实在观”的根本区别。

为量子纠缠正名

       虽然EPR佯谬中的思想实验并没有达到爱因斯坦的目的,但它却开创了一小块新的领域,为后来的科学家提供了思路,促进了科学的发展。不管究竟应该如何解读量子纠缠,后来的科学家通过实验验证,证实了这种“纠缠”现象的确存在。

       物理学家约翰·惠勒是提出用光子实现纠缠态实验的第一人。1946年,约翰·惠勒指出,正负电子对湮灭后生成的一对光子应该具有两个不同的偏振方向。不久后,1950年,吴健雄和沙科诺夫发表论文宣布成功地实现了这个实验,证实了惠勒的思想,生成了历史上第一对偏振方向相反的纠缠光子。

       具体来看,光是一种波动,并且有其振动方向,就像平常见到的水波在往前传播的时候,水面的每个特定位置也在上下振动一样,上下就是水波的振动方向。一般的自然光由多种振动方向的光线随机混合在一起,但让自然光通过一片特定方向的偏振片之后,光的振动方向便被限制,成为只沿某一方向振动的“偏振光”。

       比如,偏振式太阳眼镜的镜片就是一个偏振片。偏振片可以想象成是在一定的方向上有一些“偏振狭缝”,只能允许在这个方向振动的光线通过,其余方向的光线大多数被吸收了。

       实验室中,科学家们可以使用偏振片来测定和转换光的偏振方向。光线可以取不同的线性偏振方向,相互垂直的偏振方向可类比于电子自旋的上下,因此,对用自旋描述的纠缠态稍做修正,便对光子同样适用。

       也就是说,如果偏振光的振动方向与偏振片的轴一致,光线就可以通过;如果振动方向与检偏垂直,光线就不能通过。如果两者成45°角,就会有一半的光通过,另一半不能通过。不过,在量子理论中,光具有波粒二象性,并且,在实验室中完全可以使用降低光的强度的方法,让光源发出一个个分离的光子。

       要知道,单个光子也具有偏振信息。对于单个光子来说,进入检偏器后只有“通过”和“不过”这两种结果,因此,在入射光子偏振方向与检偏方向成45°角时,每个光子有50%的概率通过,50%的概率不通过。而如果这个角度不是45°是一个别的角度,通过的概率也将是另外一个角相关的数。

       这意味着,光子既可以实现纠缠,又携带着偏振这样易于测量的性质,因此,科学家们完全可以用它们来设计实验,检验爱因斯坦提出的EPR佯谬。不过能在实验中检验量子纠缠,最初还要归功于贝尔不等式的提出。

       1964年,英国物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)提出了以他名字命名的数学不等式——贝尔不等式。贝尔提出,如果存在隐藏变量,大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。

       获奖者之一的克劳瑟教授,就发展了约翰·贝尔的想法,并进行了一个实际的量子纠缠实验:约翰·克劳泽建造了一个装置,一次发射两个纠缠光子,每个都打向检测偏振的滤光片。1972年,他与博士生斯图尔特·弗里德曼一起,展示了一个明显违反贝尔不等式的结果,并与量子力学的预测一致。用实验检验贝尔不等式,根本目的在于验证量子系统中是否存在隐变量,即检验量子力学到底是定域的,还是非定域的。

       但克劳瑟实验仍然存在一些漏洞——局限之一是,该实验在制备和捕获粒子方面效率低下。而且由于测量是预先设置好的,滤光片的角度是固定的,因此存在漏洞。随后,阿斯佩教授进一步完善了这一实验,他在纠缠粒子离开发射源后,切换了测量设置,因此粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。

       此外,通过精密的工具和一系列实验,塞林格教授开始使用纠缠态量子。他的研究团队还展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象,这使得量子在一定距离内从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

       从贝尔不等式的提出,到克劳泽等的第一次实验,再到后来对于漏洞的补充和验证至今,已经过去了50多年。所有的这些贝尔测试实验都支持量子理论,判定定域实在论是失败的。

量子纠缠开启量子通信

       三位物理学家长期对于量子力学的研究工作,最终为量子纠缠正了名,而这对现代科技的意义却是不容小觑的。

       量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。量子通信指的主要是加密以及密码的传送方式是量子的,信息的具体通信方式仍然是经典的。换言之,量子通信需要借助经典和量子两个通道:量子通道负责产生和分发量子密钥,经典通道负责传递用量子密钥加密后的真实信息。

       保密和窃密的举动自古有之,“道高一尺,魔高一丈”,两者间永远进行着不停升级的智力战争。人们不断研发现代保密通信技术,不仅是为了保护个人隐私,也是为了商业、政治之间的信息保密。

       然而,密码总存在被破译的可能,尤其是在量子计算出现以后,采用并行运算,对当前的许多密码进行破译几乎易如反掌。

       具体来看,在密码学中,需要秘密传递的文字被称为明文,将明文用某种方法改造后的文字叫作密文。将明文变成密文的过程叫加密,与之相反的过程则被称为解密。加密和解密时使用的规则被称为密钥。现代通信中,密钥一般是某种计算机算法。

       对称加密技术中,信息的发出方和接收方共享同样的密钥,解密算法是加密算法的逆算法。这种方法简单、技术成熟,但由于需要通过另一条信道传递密钥,所以难以保证信息的安全传递——一旦密钥被拦截,信息内容就暴露了。由此才发展出了非对称加密技术。

       在非对称加密技术中,每个人在接收信息之前,都会产生自己的一对密钥,包含一个公钥和私钥。公钥用于加密,私钥用于解密。加密算法是公开的,解密算法是保密的。加密解密不对称,发送方与接收方也不对称,因此被称作非对称加密技术。从私钥的算法可以容易地得到公钥,而有了公钥却极难得到私钥。也就是说,这是一种正向操作容易、逆向操作非常困难的算法。目前常用的RSA密码系统的作用即在于此。

       RSA算法是罗恩·里韦斯特(Ron Rivest)、阿迪·沙米尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德尔曼(Leonard Adleman)三人发明的,以他们姓氏中的第一个字母命名。该算法基于一个简单的数论事实:将两个质数相乘较为容易,反过来,将其乘积进行因式分解而找到构成它的质数却非常困难。

       比如,计算17×37=629是很容易的事,但是,如果反过来,给你629,要你找出它的因子就困难一些了。并且,正向计算与逆向计算难度的差异随着数值的增大而急剧增大。对经典计算机而言,破解高位数的RSA密码基本不可能。一个每秒钟能做1012次运算的机器,破解一个300位的RSA密码需要15万年。

       但这对于量子计算机却是非常轻易的事情,使用肖尔算法的量子计算机,只需1秒钟便能破解刚才那个300位的密码。可以说,在这个数据安全愈发人人自危的今天,量子通信的发展正在成为一种必然——量子通信的魅力就在于其可以突破现有的经典信息系统的极限,这在缺乏信息安全的当下,是极大的安全感,而这或许也是此次诺贝尔物理学奖会跨越快40年将奖项颁给三位验证了量子纠缠的物理学家的原因所在。

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