量子糾纏和量子通信，他倆到底啥關系？

內容來自墨子沙龍線上活動“她力量：擁有智慧和勇氣的女性們”，演講者是中國科學技術大學印娟教授。

什么是量子力學

經典物理學在19世紀末20世紀初，已經發(fā)展得很完備。我們生活中的宏觀、低速的場景，經典物理學都能給出很好的預測和解釋。日月星辰、蘋果小球，都遵循著同樣的運行規(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，人類的努力還有沒有意義？1900年，隨著普朗克提出了量子的能量說，人類進入量子時代，就在那個群星閃耀的時代，愛因斯坦提出了光量子的效應；玻爾描述了原子的能級；薛定鍔用一個方程來描述概率波的世界；海森堡提出了 “測不準原理”。很多科學家共同描述了量子世界的樣貌。

那么，量子是什么呢？量子是構成物質的最基本的單元，是能量的最基本的攜帶者，比如光子、原子、分子。并且，我們說它已經是最基本的單元，意味著它就不可以再往下細分了。量子有什么樣的特性？我們可以將其與經典物理進行對比：在經典物理學的理論之下，我們可以用0和1作為比特來描述世界；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，它有波動的特性，它振動的方向就叫做極化方向。極化方向可以在任何一個方向，可以是水平的，或者是垂直的，也可以處在二者的疊加態(tài)。

當我們對極化方向去做測量的時候，結果并不是確定的，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。需要說明的是，這個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的時候，就會出現了量子力學的精髓——量子糾纏。

我用雙胞胎來打個比方，一個同卵的雙胞胎，即使在世界上不同的地方，如果其中一個的眼珠是黃色的，你不用去看另外一個，就可以知道他的眼睛肯定也是一樣的顏色。而實際上在量子糾纏這個問題上，情況要更復雜一些：在你沒有去測量他眼珠顏色之前，眼珠顏色是處在一個疊加狀態(tài)的，它有一定的概率處于黃，一定的概率處于藍。但當你去看其中一個孩子眼珠顏色的時候，另一個孩子的眼珠也處在了同樣的狀態(tài)。愛因斯坦認為，這是不可思議的，他把這種現象稱之為“遙遠地點之間的詭異互動”。他認為必須要力證這個事情的荒謬。1935年，愛因斯坦跟波爾多斯基、羅森三個人發(fā)表了一篇文章，來質疑量子力學的完備性。

因為他認為，身處兩地的雙胞胎，眼球的顏色肯定是預先確定的。一旦你看到其中一個的顏色是黃色，會有一個“超人”立刻告訴遠處的另一個人，讓他也變成黃色。這個“超人”非常強大，超越了我們的日常理解，愛因斯坦把它叫做隱變量。愛因斯坦認為，粒子的原始狀態(tài)是確定的，之所以會出現“遙遠之間的詭異互動”，是因為有一個隱變量在操縱。而那篇文章，因為三位作者的名字，被稱作EPR佯繆。這就是在當時兩種量子力學學派的爭論。一派以愛因斯坦為代表，他認為世界是定域實在的，事物本身都是確定的，只要傳播的速度沒有超過光速，兩地的狀態(tài)就來不及產生關聯。而以玻爾為代表的另一派則認為，量子是有非定域性的，在非局域上能夠同時有相應的變化產生。兩個學派爭論了幾十年，一直都處在哲學思辨的層面。終于，貝爾在1964年，想出了一種方法，來證明隱變量的存在。他從EPR佯謬出發(fā)來做推論，設計了一個不等式，假設有這樣一個隱變量存在，這個不等式的結果不會超過2。但如果量子力學糾纏是存在的，這個結果會超過2。

貝爾不等式為實驗驗證愛因斯坦和玻爾誰對誰錯提供了思路。那么，接下來就是從不等式的數學形式到實驗驗證。John Clauser、Shimony和他的學生Horne，兩組人同時開展實驗方案的設計，后來再加上Holt，他們四個人形成了一個叫做CHSH（以其姓氏首字母命名）的不等式，這樣，貝爾不等式往實驗可驗證的路上進了一步。后來，他們四個人又分成了三個組，去繼續(xù)實驗。1972年，Clauser第一個用量子糾纏檢驗了貝爾不等式，證明量子力學是正確的。不過，既然是第一個實驗，就有考慮不周的地方——既然是檢驗遙遠距離之間的影響，互相就不能“竊竊私語”，而Clauser的實驗設備距離很近，測量也都是固定的，就像分別對兩個孩子進行考試，他們離得太近互相偷看，就算沒有糾纏，他倆的答案還是互相對應的。Alan Aspect 發(fā)現了這個問題，他的實驗設計，能夠滿足遙遠之間互相不影響，也就是我們說的類空間隔，證明了量子力學的正確。但Alan Aspect的實驗還是有漏洞——測量方向是周期的，如果隱變量真的存在，也許就能像超人一樣，根據這個周期來操縱實驗結果。所以，1998年，Zeilinger進一步改進實驗，他讓測量方向變成隨機的，關閉了這個局域性漏洞。接下來，讓我們把腦洞再開大一點，考慮到在這些實驗里，探測到的這些糾纏，其實是產生的那些糾纏里的非常少的一部分，也許，超人又來“使壞”了，他故意讓你看到那有關聯的少部分，這就是所謂探測漏洞。所以，后來一些科學家不斷改進實驗，最終同時關閉了定域性漏洞和探測漏洞，事實證明，所有的實驗都驗證了量子力學的正確性。當然，嚴格來說，貝爾不等式假設的都是非常完美的條件，所以目前還有相關的漏洞沒有嚴格關閉，還需要科學家繼續(xù)往下走。這些故事講完了，我們現在來看今年的諾貝爾物理學獎：獲獎者是Alan Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger。獎勵他們用糾纏光子進行實驗，確立了貝爾不等式的違背，開創(chuàng)了量子信息科學。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，提出并實現了三粒子糾纏，貝爾不等式得到了更強有力的驗證。此外，多粒子糾纏還被證明可以干別的事情，比如，量子通信，量子計算，量子精密測量等。

量子通信的故事

量子力學是一個革命性的觀念，對量子力學的一些根本性的問題，科學家還在繼續(xù)研究，但是對量子的應用早已展開。今天，我想介紹量子信息科學中的重要部分——量子通信。首先是量子密鑰分發(fā)——光子不可再分，竊聽者是沒有辦法偷走一半的，只要通信的雙方共享了量子態(tài)，竊聽者一旦有測量行為，最后通信雙方通過比對就必定會發(fā)現，經過比對檢驗過的密鑰，再結合一次一密的加密方式，我們就可以在原理上實現無條件安全的通信方式。

原理上無條件安全的通信方式

另一個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，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，就有這樣的過程。我們來想象一下，我們上海的實驗室有跟北京某個實驗室相互糾纏的物質，我把自己跟上海的這團物質測量一下，測量的結果通過網絡發(fā)去北京。北京方面根據收到的測量結果，做一次操作，我就在那邊出來了。當然，測量一個人的所有信息現在還辦不到。但是在我們現有的實驗室里，多體、多終端、多自由度、多維度的量子隱形傳態(tài)是在漸漸實現的。

現在來看一看關于量子通信早期的原理性驗證，1992年，科學家實現了首次的量子密鑰分發(fā)，當時的距離只有32公分，整個裝置又大又粗糙，屬于原型演示。而最早的量子隱形傳態(tài)實驗， 則是1997年，由Bouwmeester、潘建偉、Anton Zeilinger共同完成的。該實驗在1999年入選了《nature》物理學百年的21篇經典論文，當時入選的論文工作包括倫琴的X射線，還有愛因斯坦的相對論等。到今年為止，這21篇論文全數斬獲諾貝爾獎。

從實用的角度說，既然是量子通信，就要實現遠距離。光子在光纖里面是有固定的損耗的，遠距離量子通信，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，外太空幾乎沒有對光子的損耗和退相干。

我是20年前進入實驗室的，當時潘老師的組里就已經提出自由空間的量子通信。對于這樣一個很大膽的想法，大家都會覺得有點天方夜譚，但實際上我們就是這么一步步往下走下來的。

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)實驗、16公里自由空間量子隱形傳態(tài)實驗。第二步，為了驗證在高損耗星地鏈路中進行量子通信的可行性，我們又在青海湖進行了百公里級自由空間量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。第三步，為了驗證各種衛(wèi)星運動姿態(tài)下進行星地量子通信的可行性，我們在青海湖進行了星地量子通信的全方位地基驗證。

在自由空間量子通信的國際競爭中，我們國家率先于2011年11月啟動了中科院“量子科學實驗衛(wèi)星”的先導專項計劃，并于2016年成功發(fā)射“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星。

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

諾貝爾獎公布新聞發(fā)布會上展示“墨子號”研究成果

在諾貝爾獎公布新聞發(fā)布會上，“墨子號”研究成果被重點介紹。諾獎官方深度解讀里，也引用了中國人的一些工作。具體來說，一共是引用了我們中國科學家，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，這些工作直接貢獻到了Anton Zeilinger這次拿諾貝爾獎的成就。另外三篇，純粹是我們國內實驗室做的工作，分別是星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)、器件無關的量子密鑰分發(fā)。潘老師是這些實驗想法的提出者、實驗方案的設計者，按照諾獎官方解讀，這些是對量子信息領域，尤其是量子通信領域的重要促進。2017年，我們的三個主目標完成了之后，“墨子號”實現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?！澳犹枴比〉玫某晒?，激發(fā)了國際上很多國家投入空間量子通信計劃，目前，我們不管是在“墨子號”，還是后續(xù)的低軌小衛(wèi)星，都還是在國際上保持領先。未來，我們希望通過太空中低軌、高軌的衛(wèi)星組網，實現天地一體化的廣域量子通信保密體系，并且與經典的通信網絡實現無縫的鏈接，來構建具有國際引領地位的戰(zhàn)略性新興產業(yè)和下一代的國際信息安全生態(tài)系統(tǒng)。在基礎物理方面，可能會結合我國的登月計劃，開展觀測者參與的量子力學非定域性檢驗。

我對科研的感悟

從我進實驗室開始，已經和量子糾纏“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)參量下轉換產生的。我清楚地記得，進實驗室第一天，我的班主任楊濤老師讓我站到實驗平臺的尾端，問我能不能看到示意圖上的綠點。我說我看到的是紅的，他肯定了我的答案，說你是實驗室第二個看到糾纏的人。后來，我去多光子平臺上成功調出了干涉曲線，潘老師和師兄們也在各種場合，說當年第一個多光子平臺干涉曲線是我調出來的。這些肯定和鼓勵讓我愿意堅持20年繼續(xù)在這個領域做下去。所以師長的夸獎，對于晚輩來說，有非常大的促進作用。在我成為導師之后，也開始獨立帶研究生，我的組里女研究生很多。在墨子號的研制過程中，很多女生參與其中。她們不僅細心、而且堅韌，在青海湖那樣艱苦的環(huán)境下，搭帳篷、手搖發(fā)電機做飯都沒有難倒她們，在阿里5100米的高原上，女生們帶著氧氣面罩一樣往前沖，論堅毅程度，我認為不存在性別的差異。所以從這個角度上來講，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，我就會支持她，因為興趣能支撐你走很遠。

印娟，中國科學技術大學教授，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星量子糾纏源載荷主任設計師。2011年獲中國科學技術大學理學博士學位。從事基于遠距離量子糾纏的量子物理實驗研究，完成了千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)和無中繼量子密鑰分發(fā)等，首次實現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、美國科學促進會克利夫蘭獎、中科院杰出科技成就獎（研究集體）、全國三八紅旗手等榮譽。