淺議量子糾纏與量子通信

量子糾纏與量子通信

今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三位關(guān)于“量子糾纏”實(shí)驗(yàn)取得較大成就的物理學(xué)家。2022年10月4日，在瑞典皇家科學(xué)院宣布，2022年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿蘭.阿斯佩、約翰.弗朗西斯.克勞澤、安東.塞林格，表彰他們以糾纏光子實(shí)驗(yàn)證明違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)性的量子信息科學(xué)做出的貢獻(xiàn)。

一、什么是量子

什么是量子，什么是糾纏，量子為什么會(huì)糾纏，糾纏的基礎(chǔ)動(dòng)力、條件是啥，這都是量子力學(xué)的內(nèi)容，還得從牛頓宏觀力學(xué)說(shuō)起。

牛頓力學(xué)已經(jīng)很完備，可以解釋一切宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，比如天體運(yùn)動(dòng)，在望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有看到冥王星時(shí)，牛頓力學(xué)就可以推論出冥王星的存在。空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)上天，各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)，一切能量轉(zhuǎn)化等等，牛頓力學(xué)都能解釋，即使光的波動(dòng)性，光的色散、折射等牛頓都有精確的研究。

但奇怪的是，以愛(ài)因斯坦為首的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了光不僅是波，光還是粒子，這下對(duì)原子核內(nèi)部的質(zhì)子、電子、中子、中微子、夸克等的研究進(jìn)入新時(shí)代。科學(xué)家認(rèn)為：光子是能量元，是微粒的躍遷（比如電子躍遷）產(chǎn)生光，這些微粒的運(yùn)動(dòng)不遵從宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，量子力學(xué)就應(yīng)運(yùn)而生。其中量子力學(xué)中有一個(gè)推定就是“光速不變”，光子相對(duì)與任何物體都是光速，比如電燈一開(kāi)，光子就在一個(gè)三維空間以光速傳播。量子力學(xué)有一些概念很燒腦、很抽象、數(shù)學(xué)推演很復(fù)雜，這里盡量避開(kāi)。所以，研究這些微粒間作用規(guī)律的學(xué)問(wèn)就是量子力學(xué)的雛形。

量子的定義，物理學(xué)這樣定義：物理上存在最小的不可分割的基本單位叫量子。顯然研究分子、原子、原子核、質(zhì)子、中子，他們都是可以分割的，當(dāng)他們?cè)诜指顣r(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化、發(fā)生能級(jí)躍遷就有光子產(chǎn)生，最基本的能量元光子就是量子，高速運(yùn)動(dòng)的電子就是量子。

二、什么是量子糾纏

量子糾纏一詞還得從“薛定諤的貓”說(shuō)起。比如氫原子核外只有一個(gè)電子在繞原子核高速運(yùn)動(dòng)，在某一時(shí)刻電子只可能在某一位置，其他位置是空的，科學(xué)家觀察電子所在位置時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)詭異的現(xiàn)象是，這一個(gè)電子同時(shí)在任何一個(gè)位置出現(xiàn)，無(wú)論怎樣觀察都是這一結(jié)果。愛(ài)因斯坦不相信這個(gè)結(jié)果，薛定諤也不相信這個(gè)結(jié)果，于是薛定諤提出這個(gè)思想，這樣設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在黑匣子里放上一只貓，再放里邊一點(diǎn)有毒的放射性物質(zhì)，然后選擇一個(gè)時(shí)間點(diǎn)打開(kāi)黑匣子，我們猜想的結(jié)果是：一半的概率是這只貓已經(jīng)被毒死，一般的概率貓還活著，沒(méi)有其他任何可能，這是生活中的邏輯。顯然，薛定諤是以通俗的比喻否定貓是處于又生又死疊加狀態(tài)，薛定諤原本是諷刺的舉例，并調(diào)侃說(shuō)難道量子世界有糾纏？這就是量子糾纏的一詞的來(lái)歷。

氫原子核外的只有一個(gè)電子，是以電子云存在，電子的位置是“測(cè)不準(zhǔn)”，盡管難以理解，但電子所在空間太小，影響不了我們的生活。

三、量子糾纏的速度

在1935年，愛(ài)因斯坦帶著兩位科學(xué)家一起發(fā)表了一篇著名的文章。因?yàn)槭侨晃锢韺W(xué)家的實(shí)驗(yàn)（E:愛(ài)因斯坦、P：波多爾斯基和R：羅森），所以取自這三位物理學(xué)家的名字的首字母命名就叫EPR實(shí)驗(yàn)，愛(ài)因斯坦通過(guò)疊加態(tài)和守恒律得出了一個(gè)結(jié)論，發(fā)現(xiàn)量子世界會(huì)發(fā)生超光速的事情。

那究竟啥是守恒律？世界的守恒率是世界運(yùn)動(dòng)的基石，比如質(zhì)量守恒，能量守恒，動(dòng)量守恒，角動(dòng)量守恒等。舉個(gè)例子，電子就是基本的量子，我們研究時(shí)把一對(duì)電子看作一個(gè)整體研究，就滿足以上的守恒，一個(gè)順時(shí)針自旋，另一個(gè)就一定逆時(shí)針自旋，角動(dòng)量守恒，如果把其中的一個(gè)拉開(kāi)距離很遠(yuǎn)，這兩個(gè)電子依然是疊加態(tài)，就是糾纏的電子。當(dāng)一個(gè)電子坍縮了，另一個(gè)也會(huì)同時(shí)坍縮，因?yàn)樗麄円睾悖@個(gè)傳遞是不受光速約束的。

諸多疑問(wèn)來(lái)了，我們以前的認(rèn)知能量傳遞是需要介質(zhì)的，在介質(zhì)中傳遞最快的是光速，量子糾纏中的兩個(gè)電子那邊的電子咋知道這邊的電子坍縮了？又咋知道那邊電子的自旋的方向？這已經(jīng)顛覆了愛(ài)因斯坦的量子力學(xué)理論體系，包括已經(jīng)被驗(yàn)證成立的麥克斯韋光速不變方程式，愛(ài)因斯坦開(kāi)始懷疑自己創(chuàng)立的量子力學(xué)應(yīng)該是不完善的。

這種現(xiàn)象耗費(fèi)了很多物理學(xué)家研究量子糾纏的速度究竟是多大，今天的技術(shù)測(cè)得，這個(gè)數(shù)值已經(jīng)達(dá)到光速的萬(wàn)倍以上。

要知道愛(ài)因斯坦的相對(duì)論里有個(gè)基本假設(shè)：光速是物質(zhì)和信息傳遞的最快速度，所以愛(ài)因斯坦經(jīng)常吐槽量子力學(xué)有問(wèn)題。

四、實(shí)現(xiàn)量子通信

今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位物理學(xué)家，證明了量子糾纏情況下貝爾不等式不成立。貝爾其人是愛(ài)因斯坦的信徒，想證明愛(ài)因斯坦是對(duì)的，于是他提出了貝爾不等式（這里不再詳述貝爾不等式），結(jié)果這個(gè)不等式的導(dǎo)出證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。

再后來(lái)，全世界許多實(shí)驗(yàn)室都實(shí)現(xiàn)了量子糾纏的信息傳遞，中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的成果走在了世界的前列，不僅可以實(shí)現(xiàn)地面?zhèn)鬟f信息，還實(shí)現(xiàn)了地面向太空的信息傳遞，再度刷新世界紀(jì)錄。

量子糾纏，只是量子力學(xué)的一部分，盡管我們還沒(méi)有糾纏清楚，但糾纏的應(yīng)用已經(jīng)在路上。

量子力學(xué)的理論在不斷發(fā)展，量子力學(xué)的應(yīng)用空間極大，需要全世界的科學(xué)家探究思考，科學(xué)無(wú)止境，技術(shù)無(wú)止境。