量子糾纏和量子通信，他倆到底啥關(guān)系？

內(nèi)容來(lái)自墨子沙龍線上活動(dòng)“她力量：擁有智慧和勇氣的女性們”，演講者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)印娟教授。

什么是量子力學(xué)

經(jīng)典物理學(xué)在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，已經(jīng)發(fā)展得很完備。我們生活中的宏觀、低速的場(chǎng)景，經(jīng)典物理學(xué)都能給出很好的預(yù)測(cè)和解釋。日月星辰、蘋(píng)果小球，都遵循著同樣的運(yùn)行規(guī)律，仿佛只要知道了體系的初始狀態(tài)，后面的一切演化都是確定的。
可是，真的是這樣嗎？如果今天宇宙中的一切早在大爆炸的那一刻就決定了，人類(lèi)的努力還有沒(méi)有意義？1900年，隨著普朗克提出了量子的能量說(shuō)，人類(lèi)進(jìn)入量子時(shí)代，就在那個(gè)群星閃耀的時(shí)代，愛(ài)因斯坦提出了光量子的效應(yīng)；玻爾描述了原子的能級(jí)；薛定鍔用一個(gè)方程來(lái)描述概率波的世界；海森堡提出了 “測(cè)不準(zhǔn)原理”。很多科學(xué)家共同描述了量子世界的樣貌。

那么，量子是什么呢？量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本的單元，是能量的最基本的攜帶者，比如光子、原子、分子。并且，我們說(shuō)它已經(jīng)是最基本的單元，意味著它就不可以再往下細(xì)分了。量子有什么樣的特性？我們可以將其與經(jīng)典物理進(jìn)行對(duì)比：在經(jīng)典物理學(xué)的理論之下，我們可以用0和1作為比特來(lái)描述世界；而在量子世界里，由于量子疊加，比特可以處在0或1，也可以處在0和1的疊加的狀態(tài)。

以光子為例，光子既是粒子也是波，它有波動(dòng)的特性，它振動(dòng)的方向就叫做極化方向。極化方向可以在任何一個(gè)方向，可以是水平的，或者是垂直的，也可以處在二者的疊加態(tài)。

當(dāng)我們對(duì)極化方向去做測(cè)量的時(shí)候，結(jié)果并不是確定的，它有50%的概率在水平，有50%的概率在豎直，這就是它的疊加性。需要說(shuō)明的是，這個(gè)量子疊加特性是單粒子的狀態(tài)。

如果是雙粒子或者更多的粒子出現(xiàn)的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)了量子力學(xué)的精髓——量子糾纏。

我用雙胞胎來(lái)打個(gè)比方，一個(gè)同卵的雙胞胎，即使在世界上不同的地方，如果其中一個(gè)的眼珠是黃色的，你不用去看另外一個(gè)，就可以知道他的眼睛肯定也是一樣的顏色。而實(shí)際上在量子糾纏這個(gè)問(wèn)題上，情況要更復(fù)雜一些：在你沒(méi)有去測(cè)量他眼珠顏色之前，眼珠顏色是處在一個(gè)疊加狀態(tài)的，它有一定的概率處于黃，一定的概率處于藍(lán)。但當(dāng)你去看其中一個(gè)孩子眼珠顏色的時(shí)候，另一個(gè)孩子的眼珠也處在了同樣的狀態(tài)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，這是不可思議的，他把這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。他認(rèn)為必須要力證這個(gè)事情的荒謬。1935年，愛(ài)因斯坦跟波爾多斯基、羅森三個(gè)人發(fā)表了一篇文章，來(lái)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性。

因?yàn)樗J(rèn)為，身處兩地的雙胞胎，眼球的顏色肯定是預(yù)先確定的。一旦你看到其中一個(gè)的顏色是黃色，會(huì)有一個(gè)“超人”立刻告訴遠(yuǎn)處的另一個(gè)人，讓他也變成黃色。這個(gè)“超人”非常強(qiáng)大，超越了我們的日常理解，愛(ài)因斯坦把它叫做隱變量。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，粒子的原始狀態(tài)是確定的，之所以會(huì)出現(xiàn)“遙遠(yuǎn)之間的詭異互動(dòng)”，是因?yàn)橛幸粋€(gè)隱變量在操縱。而那篇文章，因?yàn)槿蛔髡叩拿?，被稱(chēng)作EPR佯繆。這就是在當(dāng)時(shí)兩種量子力學(xué)學(xué)派的爭(zhēng)論。一派以愛(ài)因斯坦為代表，他認(rèn)為世界是定域?qū)嵲诘模挛锉旧矶际谴_定的，只要傳播的速度沒(méi)有超過(guò)光速，兩地的狀態(tài)就來(lái)不及產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。而以玻爾為代表的另一派則認(rèn)為，量子是有非定域性的，在非局域上能夠同時(shí)有相應(yīng)的變化產(chǎn)生。兩個(gè)學(xué)派爭(zhēng)論了幾十年，一直都處在哲學(xué)思辨的層面。終于，貝爾在1964年，想出了一種方法，來(lái)證明隱變量的存在。他從EPR佯謬出發(fā)來(lái)做推論，設(shè)計(jì)了一個(gè)不等式，假設(shè)有這樣一個(gè)隱變量存在，這個(gè)不等式的結(jié)果不會(huì)超過(guò)2。但如果量子力學(xué)糾纏是存在的，這個(gè)結(jié)果會(huì)超過(guò)2。

貝爾不等式為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛(ài)因斯坦和玻爾誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)提供了思路。那么，接下來(lái)就是從不等式的數(shù)學(xué)形式到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。John Clauser、Shimony和他的學(xué)生Horne，兩組人同時(shí)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，后來(lái)再加上Holt，他們四個(gè)人形成了一個(gè)叫做CHSH（以其姓氏首字母命名）的不等式，這樣，貝爾不等式往實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證的路上進(jìn)了一步。后來(lái)，他們四個(gè)人又分成了三個(gè)組，去繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。1972年，Clauser第一個(gè)用量子糾纏檢驗(yàn)了貝爾不等式，證明量子力學(xué)是正確的。不過(guò)，既然是第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就有考慮不周的地方——既然是檢驗(yàn)遙遠(yuǎn)距離之間的影響，互相就不能“竊竊私語(yǔ)”，而Clauser的實(shí)驗(yàn)設(shè)備距離很近，測(cè)量也都是固定的，就像分別對(duì)兩個(gè)孩子進(jìn)行考試，他們離得太近互相偷看，就算沒(méi)有糾纏，他倆的答案還是互相對(duì)應(yīng)的。Alan Aspect 發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題，他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠滿足遙遠(yuǎn)之間互相不影響，也就是我們說(shuō)的類(lèi)空間隔，證明了量子力學(xué)的正確。但Alan Aspect的實(shí)驗(yàn)還是有漏洞——測(cè)量方向是周期的，如果隱變量真的存在，也許就能像超人一樣，根據(jù)這個(gè)周期來(lái)操縱實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以，1998年，Zeilinger進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，他讓測(cè)量方向變成隨機(jī)的，關(guān)閉了這個(gè)局域性漏洞。接下來(lái)，讓我們把腦洞再開(kāi)大一點(diǎn)，考慮到在這些實(shí)驗(yàn)里，探測(cè)到的這些糾纏，其實(shí)是產(chǎn)生的那些糾纏里的非常少的一部分，也許，超人又來(lái)“使壞”了，他故意讓你看到那有關(guān)聯(lián)的少部分，這就是所謂探測(cè)漏洞。所以，后來(lái)一些科學(xué)家不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，最終同時(shí)關(guān)閉了定域性漏洞和探測(cè)漏洞，事實(shí)證明，所有的實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。當(dāng)然，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，貝爾不等式假設(shè)的都是非常完美的條件，所以目前還有相關(guān)的漏洞沒(méi)有嚴(yán)格關(guān)閉，還需要科學(xué)家繼續(xù)往下走。這些故事講完了，我們現(xiàn)在來(lái)看今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：獲獎(jiǎng)?wù)呤茿lan Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger。獎(jiǎng)勵(lì)他們用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確立了貝爾不等式的違背，開(kāi)創(chuàng)了量子信息科學(xué)。是的，量子糾纏不僅有理論上的革命性意義，還可以幫助我們做很多事。比如前面提到的Anton Zeilinger，提出并實(shí)現(xiàn)了三粒子糾纏，貝爾不等式得到了更強(qiáng)有力的驗(yàn)證。此外，多粒子糾纏還被證明可以干別的事情，比如，量子通信，量子計(jì)算，量子精密測(cè)量等。

量子通信的故事

量子力學(xué)是一個(gè)革命性的觀念，對(duì)量子力學(xué)的一些根本性的問(wèn)題，科學(xué)家還在繼續(xù)研究，但是對(duì)量子的應(yīng)用早已展開(kāi)。今天，我想介紹量子信息科學(xué)中的重要部分——量子通信。首先是量子密鑰分發(fā)——光子不可再分，竊聽(tīng)者是沒(méi)有辦法偷走一半的，只要通信的雙方共享了量子態(tài)，竊聽(tīng)者一旦有測(cè)量行為，最后通信雙方通過(guò)比對(duì)就必定會(huì)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)比對(duì)檢驗(yàn)過(guò)的密鑰，再結(jié)合一次一密的加密方式，我們就可以在原理上實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全的通信方式。

原理上無(wú)條件安全的通信方式

另一個(gè)是全新的量子通信的方式——量子隱形傳態(tài)。就是利用量子糾纏，將量子信息傳送到另一地點(diǎn)，而不用傳送信息載體本身。

量子隱形傳態(tài)示意圖

在電影《星際迷航》里，就有這樣的過(guò)程。我們來(lái)想象一下，我們上海的實(shí)驗(yàn)室有跟北京某個(gè)實(shí)驗(yàn)室相互糾纏的物質(zhì)，我把自己跟上海的這團(tuán)物質(zhì)測(cè)量一下，測(cè)量的結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)去北京。北京方面根據(jù)收到的測(cè)量結(jié)果，做一次操作，我就在那邊出來(lái)了。當(dāng)然，測(cè)量一個(gè)人的所有信息現(xiàn)在還辦不到。但是在我們現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室里，多體、多終端、多自由度、多維度的量子隱形傳態(tài)是在漸漸實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)在來(lái)看一看關(guān)于量子通信早期的原理性驗(yàn)證，1992年，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了首次的量子密鑰分發(fā)，當(dāng)時(shí)的距離只有32公分，整個(gè)裝置又大又粗糙，屬于原型演示。而最早的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)， 則是1997年，由Bouwmeester、潘建偉、Anton Zeilinger共同完成的。該實(shí)驗(yàn)在1999年入選了《nature》物理學(xué)百年的21篇經(jīng)典論文，當(dāng)時(shí)入選的論文工作包括倫琴的X射線，還有愛(ài)因斯坦的相對(duì)論等。到今年為止，這21篇論文全數(shù)斬獲諾貝爾獎(jiǎng)。

從實(shí)用的角度說(shuō)，既然是量子通信，就要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離。光子在光纖里面是有固定的損耗的，遠(yuǎn)距離量子通信，需要量子中繼，而更有效的方式，就是自由空間的量子通信，除了大氣層這段，外太空幾乎沒(méi)有對(duì)光子的損耗和退相干。

我是20年前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的，當(dāng)時(shí)潘老師的組里就已經(jīng)提出自由空間的量子通信。對(duì)于這樣一個(gè)很大膽的想法，大家都會(huì)覺(jué)得有點(diǎn)天方夜譚，但實(shí)際上我們就是這么一步步往下走下來(lái)的。

大氣層等效厚度是8公里，我們首先做了13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)、16公里自由空間量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。第二步，為了驗(yàn)證在高損耗星地鏈路中進(jìn)行量子通信的可行性，我們又在青海湖進(jìn)行了百公里級(jí)自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。第三步，為了驗(yàn)證各種衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下進(jìn)行星地量子通信的可行性，我們?cè)谇嗪：M(jìn)行了星地量子通信的全方位地基驗(yàn)證。

在自由空間量子通信的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，我們國(guó)家率先于2011年11月啟動(dòng)了中科院“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，并于2016年成功發(fā)射“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

“墨子號(hào)”發(fā)射至今，成果不斷涌現(xiàn)。星地雙向糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗(yàn)、星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)，都已經(jīng)達(dá)到了千公里水平。

諾貝爾獎(jiǎng)公布新聞發(fā)布會(huì)上展示“墨子號(hào)”研究成果

在諾貝爾獎(jiǎng)公布新聞發(fā)布會(huì)上，“墨子號(hào)”研究成果被重點(diǎn)介紹。諾獎(jiǎng)官方深度解讀里，也引用了中國(guó)人的一些工作。具體來(lái)說(shuō)，一共是引用了我們中國(guó)科學(xué)家，尤其是潘建偉教授的七篇文章。其中四篇文章是潘老師在奧地利維也納跟隨Anton Zeilinger讀研究生期間的工作，這些工作直接貢獻(xiàn)到了Anton Zeilinger這次拿諾貝爾獎(jiǎng)的成就。另外三篇，純粹是我們國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室做的工作，分別是星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)、器件無(wú)關(guān)的量子密鑰分發(fā)。潘老師是這些實(shí)驗(yàn)想法的提出者、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)者，按照諾獎(jiǎng)官方解讀，這些是對(duì)量子信息領(lǐng)域，尤其是量子通信領(lǐng)域的重要促進(jìn)。2017年，我們的三個(gè)主目標(biāo)完成了之后，“墨子號(hào)”實(shí)現(xiàn)了北京和維也納之間的7600公里洲際量子通信，2018年1月，文章發(fā)表。“墨子號(hào)”取得的成功，激發(fā)了國(guó)際上很多國(guó)家投入空間量子通信計(jì)劃，目前，我們不管是在“墨子號(hào)”，還是后續(xù)的低軌小衛(wèi)星，都還是在國(guó)際上保持領(lǐng)先。未來(lái)，我們希望通過(guò)太空中低軌、高軌的衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天地一體化的廣域量子通信保密體系，并且與經(jīng)典的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的鏈接，來(lái)構(gòu)建具有國(guó)際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代的國(guó)際信息安全生態(tài)系統(tǒng)。在基礎(chǔ)物理方面，可能會(huì)結(jié)合我國(guó)的登月計(jì)劃，開(kāi)展觀測(cè)者參與的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。

我對(duì)科研的感悟

從我進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始，已經(jīng)和量子糾纏“糾纏”了二十年。我們目前的量子糾纏光源都是利用各種各樣的晶體自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的。我清楚地記得，進(jìn)實(shí)驗(yàn)室第一天，我的班主任楊濤老師讓我站到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的尾端，問(wèn)我能不能看到示意圖上的綠點(diǎn)。我說(shuō)我看到的是紅的，他肯定了我的答案，說(shuō)你是實(shí)驗(yàn)室第二個(gè)看到糾纏的人。后來(lái)，我去多光子平臺(tái)上成功調(diào)出了干涉曲線，潘老師和師兄們也在各種場(chǎng)合，說(shuō)當(dāng)年第一個(gè)多光子平臺(tái)干涉曲線是我調(diào)出來(lái)的。這些肯定和鼓勵(lì)讓我愿意堅(jiān)持20年繼續(xù)在這個(gè)領(lǐng)域做下去。所以師長(zhǎng)的夸獎(jiǎng)，對(duì)于晚輩來(lái)說(shuō)，有非常大的促進(jìn)作用。在我成為導(dǎo)師之后，也開(kāi)始獨(dú)立帶研究生，我的組里女研究生很多。在墨子號(hào)的研制過(guò)程中，很多女生參與其中。她們不僅細(xì)心、而且堅(jiān)韌，在青海湖那樣艱苦的環(huán)境下，搭帳篷、手搖發(fā)電機(jī)做飯都沒(méi)有難倒她們，在阿里5100米的高原上，女生們帶著氧氣面罩一樣往前沖，論堅(jiān)毅程度，我認(rèn)為不存在性別的差異。所以從這個(gè)角度上來(lái)講，我錄取研究生是不挑性別的，只要女性有意愿和興趣從事科研，我就會(huì)支持她，因?yàn)榕d趣能支撐你走很遠(yuǎn)。

印娟，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星量子糾纏源載荷主任設(shè)計(jì)師。2011年獲中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。從事基于遠(yuǎn)距離量子糾纏的量子物理實(shí)驗(yàn)研究，完成了千公里級(jí)星地雙向量子糾纏分發(fā)和無(wú)中繼量子密鑰分發(fā)等，首次實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的廣域量子通信。曾獲上海市巾幗創(chuàng)新新秀獎(jiǎng)、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)克利夫蘭獎(jiǎng)、中科院杰出科技成就獎(jiǎng)（研究集體）、全國(guó)三八紅旗手等榮譽(yù)。