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斩获诺奖的量子纠缠到底是何方神圣?

近期最大的新闻,莫过于瑞典皇家科学院将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·塞林格,以此表彰他们为纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。

爱因斯坦曾经说过,上帝不会掷骰子,万事万物都具有确定性。由于觉得过于不可思议,他形容量子纠缠为“幽灵般的超距作用”。而这次三位科学家的发现,推翻了他的部分理念。

获奖的量子纠缠到底是个啥

“遇事不决,量子力学”,现代物理学里,论起最被人熟知的领域,量子力学毫无疑问是第一名。

在所谓的“纠缠对”中,一个粒子发生的事情,会决定另一个粒子发生的事情(不管相距多远)。这意味着什么?

量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。其与全世界正密集研发的、以利用单个粒子系统的特殊属性来构建的量子计算机、改进测量、量子网络以及量子加密通信,都能息息相关。

以上应用,均需依赖于量子力学如何允许两个或多个粒子以共享状态存在,甚至无论它们相隔千山万水,均能保持这一状态。

这被称为“纠缠”。

自从该理论提出以来,它一直是量子力学中争论最多的元素之一。阿尔伯特·爱因斯坦说这是“幽灵般的超距作用”,而埃尔温·薛定谔说这是量子力学最重要的特征。一位叫作贝尔的物理学家还提出了贝尔不等式:如果能证明这个不等式在量子世界中成立,那么爱因斯坦就是对的,量子力学是不完备的;如果不成立,那么量子力学就取得了胜利。

既然争论不断,这就需要三位诺奖得主登场了——首先登场的是约翰·克劳泽,他建造了一个精巧的仪器,能够同时发出两个相互纠缠的光子,最后通过实验得出了一个明显违背贝尔不等式的结果。

然而,克劳泽的这个实验却被发现存在一个特殊的实验漏洞,并不具有说服力。还好,当时还是博士生的阿兰·阿斯佩在克劳泽的基础上改进了实验装置,修复漏洞后,发现实验结果并没有改变:贝尔不等式在量子世界不成立!

在此之后,無数物理学家为完善这一实验结果继续努力,安东·塞林格就是重要一员,他带领的团队最终弥补了随机性等漏洞,给出了量子力学违背贝尔不等式的决定性证明。塞林格的贡献不止于实验验证贝尔不等式,他还发现纠缠的量子态具有存储、传输和处理信息的潜力,将量子纠缠从理论推向了应用。今年的获奖者们,探索了这些纠缠的量子态,他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍,为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

面对爱因斯坦的质疑,历经数十年时间,从克劳泽到阿斯佩再到塞林格,一代代物理学家终于用确凿的实验数据证明,量子纠缠是存在的,胜利属于量子力学。

三位诺奖得主小简历

现年75岁的阿兰·阿斯佩是法国物理学家、巴黎萨克莱大学和巴黎综合理工学院教授、法国科学院院士,同时也是香港城市大学香港高等研究院高级研究员。

约翰·克劳泽1942年12月出生于美国加利福尼亚州,是美国知名实验物理学家和理论物理学家。

安东·蔡林格现年77岁,是奥地利量子物理学家、维也纳大学物理学教授、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。

背后的中国科学家贡献

得知诺奖再次授予量子科技领域的研究者,中国科技大学常务副校长、中科院院士潘建伟感到非常振奋。他说:“一方面,量子科技领域得到了肯定;另一方面,颁奖委员会在介绍获奖者的工作时,提到了很多中国科学家所做的工作。我们觉得,为了这个领域的发展,中国科学家也作出了杰出贡献。”

作为安东·塞林格的学生,颁奖委员会提到的安东·塞林格的研究工作,潘建伟院士是最主要的参与者之一。“颁奖委员会提到了我的导师安东·塞林格的4篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者、两篇文章的第二作者。”潘建伟说。

同时,“颁奖委员会还提了另外3篇文章,而这3篇文章都是中国科学家独立开展的研究工作。所以,从这一点讲,我不仅是加入了塞林格的研究团队,也参与了开创量子信息物理学这个领域,我感到很幸运。”潘建伟说。更重要的是,“在把获奖科学家的梦想变成现实的过程中,中国科学家也作出了很大的贡献。”在这方面的成绩让潘建伟感到很骄傲。

量子力学应用广阔

量子力学现已开始得到应用,并产生了很广阔的研究领域,包括量子计算机、量子网络和更为安全的量子加密通信。

从实践的角度来说,量子纠缠所代表的,其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满,正源于每一阶段可应用范围的不够。

诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克这样总结道:“越来越清楚的是,一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者在纠缠态方面的工作非常重要,甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”

近年来,我国也高度重视量子信息科技的发展,在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,产出了一批具有重要国际影响力的成果。

“总体而言,我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位,在量子计算方面与发达国家处于同一水平线,在量子精密测量方面发展迅速。”潘建伟说。

他表示,量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

我国的城域量子通信技术已初步满足实用化要求,我国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”,在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在卫星量子通信方面,我国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现了星地量子通信,首次实现了洲际量子通信,充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。

量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。当前,量子计算研究已经实现“量子优越性”,即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机,达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。

2020年,潘建伟和陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”,推动了全球量子计算的前沿研究达到一个新高度,继谷歌“悬铃木”量子计算机之后,我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。

◎ 来源| 科普时报、科学+

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