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科普文章

【量子知识科普】量子纠缠是如何成为强大工具的| 2022年诺贝尔物理学奖介绍
发布时间:2022-10-07    18763   墨子沙龙

2022 年诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、约翰·克劳泽(John F. Clauser)和安东·塞林格(Anton Zeilinger),表彰他们“用纠缠光子进行实验,确立了贝尔不等式的违背,开创了量子信息科学”。


其中,安东·塞林格是中国科大“爱因斯坦讲席教授”,他也是中国量子信息领军人物潘建伟在奥地利留学时的博士生导师。塞林格长期关怀中国科大国际合作和人才培养工作,积极推动中奥学术交流。他曾多次做客中国科大“大师论坛”以及“墨子沙龙”活动,鼓励和引领青年学子投身量子科技事业。2020年,安东·塞林格被授予“中国政府友谊奖”。


塞林格做客“墨子沙龙”,给青年学子讲述量子科学与技术(拍摄于2019年)


值得一提的是,诺贝尔奖授予量子信息科学,中国科学家也做出了重要贡献。早在上世纪90年代,潘建伟就和导师塞林格一起开展量子信息实验研究。诺贝尔奖新闻发布会和获奖工作的官方介绍文件中,都大量引用了潘建伟及其团队的成果与贡献。例如,诺奖官方介绍中着重强调了量子隐形传态、纠缠交换的首次实现等工作,而在这一系列工作中,潘建伟都起到了核心作用;诺奖新闻发布会上还重点展示了“墨子号”的工作,正是这些后续优秀工作的推动,量子信息从早期的梦想变为现实,量子信息先驱荣获诺奖更众望所归。


量子信息科学是正在快速发展的新兴学科。对于一个初生的孩子,他的力量,就是生长的力量。我们有理由期待,量子信息科学将给人们带来更多惊喜,而中国科学家也将做出更重要的贡献。



以下文章翻译自诺贝尔奖委员会对获奖工作的官方介绍文件


量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。利用单粒子系统的特殊性质来构建量子计算机、改进测量、建造量子网络和安全的量子保密通信,这些研究和进展正在蓬勃发展之中。


量子纠缠


许多应用依赖于量子力学的一个独特性质:允许两个或更多粒子存在于一个共享的状态,无论它们相距多远。这就是所谓的“纠缠”。自从量子力学建立以来,它一直是争论最多的主题之一,阿尔伯特·爱因斯坦称其为“幽灵般的超距作用”,埃尔温·薛定谔认为这是量子力学最重要的特征。


今年的获奖者对纠缠的量子态进行了探索,他们的实验为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。



远离日常经验

当两个粒子处于量子纠缠态时,对其中一个粒子的性质进行测量,无需检测就可以立即知道如果对另一个粒子进行同等测量将会得到什么结果。


初看起来,这也许并无奇怪之处。将粒子看作小球,我们想象这样一个实验:其中的黑球朝一个方向行进,而白球朝相反方向行进。如果观察者接住了一个球、看到它是白色的,那么可以立即得知:向另一个方向行进的球是黑色的。


而量子力学的奇特之处在于,在被测量之前,量子版本的“小球”没有确定的状态。这就好像两个球都是灰色的,直到有人看了其中一个球。这时,这个球就会随机地或者获得两个球的所有黑色元素或者显示为白色,而另一个球同时变成相反的颜色。


但是,怎么可能知道这些球一开始就没有一个被设定好了的颜色呢?即便它们看起来是灰色的,也许在它们内部有一个“隐藏的标签”,规定好了当有人看它们时,它们应该变成哪种颜色。


无人观看之时,颜色是否存在?



量子力学中的纠缠对可以比作一台把相反颜色球向相反方向投掷的机器。当鲍勃抓到一个球、看到它是黑色的,他立即就可以知道爱丽丝抓到的是白色的球。有一种理论,它引入了隐藏变量,也就是说,这些球一直包含着关于显示什么颜色的隐藏信息。然而量子力学却说,这些球是灰色的,直到有人看它们——这时,随机地,其中一个变成白色,另一个变成黑色。


贝尔不等式表明,有一些实验可以区分这些情况。这些实验最终证明了,量子力学的描述是正确的。


今年诺贝尔物理学奖所奖励的研究中,一个重要部分是叫做“贝尔不等式”的理论见解。是量子力学的不确定性,还是具有某种秘密指令(或说隐变量)的另一种理论?贝尔不等式能让我们对其进行区分。实验已经表明,大自然正如量子力学所预测的那样运行。球是灰色的,没有秘密信息,概率决定了在实验中哪些球变成黑色、哪些变成白色。



量子力学的最重要资源

纠缠的量子态给如何存储、传输和处理信息带来了新的可能。


如果纠缠对中的粒子朝相反的方向行进,其中一个粒子以某种方式与第三个粒子相遇而使得它们产生了纠缠,这时有趣的事情发生了。它们会进入一种新的共享状态。第三个粒子失去了其特征,但它原来的性质现在已经转移到了原来纠缠对中现在“落单”的那个粒子上。将未知量子态从一个粒子转移到另一粒子的这种方式被称作“量子隐形传态”。这类实验由安东·塞林格及其同事在 1997 年首次完成。


值得注意的是,量子隐形传态是将量子信息从一个系统转移到另一系统而没有任何损失的唯一方法。想要测量出一个量子系统的所有性质,然后将其传输给接收者来重建整个系统,这是绝对不可能的。这是因为一个量子系统可以同时包含每个性质的多个“版本”,每个版本在测量中都有一定的出现概率。而一旦执行了测量,就只剩下一个版本,即被测量仪器读取的那个。其他的已经消失,不再可能知道它们的任何事情。然而,完全未知的量子性质可以通过量子隐形传态来传输,它将完好无损地出现在另一个粒子上,其代价是在原粒子中消失殆尽。


一旦这在实验中被证实,下一步就是使用两个纠缠粒子对。如果每个粒子对中的一个粒子以一种特殊的方式被聚集到一起,那么每个粒子对中未受扰动的那个粒子就会纠缠在一起,尽管它们从未相互接触过。这种纠缠交换在 1998 年由安东·塞林格的研究小组首次证实。


从未相遇的纠缠粒子



两对纠缠粒子从不同的源发射出来。每对粒子中的一个粒子(图中的 2 和 3)以一种特殊的方式被聚集到一起、发生纠缠。那么,另外两个粒子(图中的 1 和 4)也被纠缠起来。通过这种方式,两个从未接触过的粒子可以纠缠在一起。

光子(即光的粒子)的纠缠对,可以通过光纤往相反的方向发送,并在量子网络中起到信号作用。两对光子对之间的纠缠使得扩展网络节点之间的距离成为可能。光子通过光纤发送的距离是有限制的,因为光子会被吸收或失去其性质。普通的光信号可以沿途被放大,但这种方法不适用于纠缠对——放大器必须捕获并测量光,这将破坏纠缠。然而,纠缠交换意味着可以将原始状态发送得更远,从而实现比其他方式更长的传输距离。



从佯谬到不等式

这一进展基于多年的发展。它始于令人惊愕的洞察力——量子力学允许一个单一量子系统被分割成彼此分离的各部分,但它们仍然作为一个整体来行动。


这违背了关于因果和现实本质的所有通常想法。一个事件怎么可能被发生在另一地方的事件影响呢——如果没有接受到来自那里的某种形式的信号?信号的传播速度不可能超过光速——但在量子力学中,一个扩展系统的不同部分似乎完全没有必要通过信号来连接。


爱因斯坦(Albert Einstein)认为这是不可行的,并与同事波多尔斯基(Boris Podolsky)、罗森(Nathan Rosen)一起研究了这一现象。他们在 1935 年提出了他们的推想:量子力学似乎没有提供对现实的完整描述。这被称为EPR佯谬,以研究人员姓名的首字母命名。


问题是,是否有一种对世界更完整的描述,而量子力学只是其中的一部分。例如,事情可以是这样:粒子总是携带关于它们被测量后将显示什么结果的隐藏信息。那么,所有的测量都显示了就在执行测量的位置所具有的性质。这类信息通常被称作“局域隐变量”。


当时在CERN工作的北爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)对这一问题进行了仔细研究。他发现有一类实验,可以检测世界是否纯粹是量子力学的,或者是否可能存在带有隐变量的另一种描述。重复多次他的实验,所有隐变量形式的理论所显示出的结果之间的相关性,都必须低于或最多等于某一特定值。这就是所谓的“贝尔不等式”


然而,量子力学可以违反这一不等式。它所预测的结果之间的相关性比任何局域隐变量理论的预测都要高。


1960年代,约翰·克劳泽还是一名学生时,就对量子力学的基础原理产生了兴趣。当读到约翰·贝尔的想法后,这一想法就萦绕在他脑海之中、挥之不去。最终,他和其他三名研究人员提出了一个可以在现实实验中执行的协议,来测试贝尔不等式。


实验涉及往相反方向发送一对纠缠的粒子(见下图)。实际中,使用的是具有偏振性质的光子。当粒子被发射时,偏振方向是不确定的,唯一可以确定的是粒子具有平行的偏振。可以用滤光片来开展研究,此滤光片允许特定方向的偏振光通过。这就是许多太阳镜所利用的效应,它可以阻挡在某一平面上偏振的光线,例如被水面反射的光。


约翰·克劳泽使用的是钙原子,被一种特殊的光照射后,它可以发出纠缠光子。他在两边各设置了一个滤光片,用来测量光子偏振。经过一系列测量,他发现它们违反了贝尔不等式。


实验中,当两个粒子被发送到朝向平行放置的滤光片(比如都垂直放置)时,如果一个粒子能够通过,那么另一个也会通过。而当两个滤光片彼此成直角放置,那么一个粒子会被阻挡,而另一个将通过。巧妙之处在于,针对有一定倾斜角、不同方向放置滤光片的情况进行测量,结果会有变化:有时两个粒子都通过,有时只有一个通过,有时都不通过。两个粒子同时通过滤光片的概率取决于滤光片之间的角度。


量子力学导致了测量之间的相关性。一个粒子通过的可能性取决于在实验装置另一侧测试其“伙伴”偏振的滤光片的角度。这意味着,在某些角度上,两个测量的结果违反了贝尔不等式,与由隐变量支配、预先已经确定了的结果相比,具有更强的相关性。



被违反的不等式

约翰·克劳泽立即开始实施这一实验。他建造了一台一次发射两个纠缠光子的仪器,每个光子都射向一个检测其偏振的滤光片。1972 年,与博士生斯图尔特·弗里德曼(Stuart Freedman19442012)一起,他们展示了明显违反贝尔不等式的实验结果,与量子力学的预测一致。


在随后的几年,约翰·克劳泽和其他物理学家继续讨论这一实验以及实验的不足。其中之一是,在粒子的制备和捕获上,实验总是效率很低。测量也是预先设定好的,滤光片处在固定的角度。因此存在漏洞,观察者可以对结果提出质疑:会不会是由于实验装置以某种方式选择了恰巧具有强相关性的粒子,而没有检测到其他粒子?如果是这样的话,粒子仍可能携带有隐藏信息。


消除这一漏洞是困难的,因为纠缠的量子态极其脆弱、难以操控;处理单个光子是必要的。当时的法国博士生阿兰·阿斯佩没有被吓倒,经过多次迭代改进,他构建了一个新版本的设置。在他的实验中,可以记录通过滤光片的光子和没有通过的光子。这意味着可以检测到更多的光子,测量更好了。


在实验的最后一个改进版本中,他还能够将光子导向以不同角度放置的两个不同滤光片。巧妙之处在于,纠缠光子从源中生成、发射出之后,还有一种机制,能够改变它们的方向。滤光片只在6米之外,所以方向切换需要在十亿分之一秒量级之内完成。如果光子将要到达哪个滤光片的信息影响了它从源发射的方式,它就不会到达那个过滤器。实验一侧的滤光片信息也不会传到实验的另一侧,从而影响那里的测量结果。这样,阿兰·阿斯佩堵住了一个重要的实验漏洞,给出了一个清晰明确的结果:量子力学是正确的,没有隐变量。


阿兰·阿斯佩改进了实验,他使用了一种新方式来激发原子,能够以更高的速率发射纠缠光子。他还可以实现不同设置之间的切换,使系统不包含任何可能影响结果的预置信息。


安东·塞林格后来对贝尔不等式进行了更多测试。他通过激光照射特殊晶体来制备纠缠光子对,并使用随机数来控制测量设置之间的转换。有一个实验,是使用来自遥远星系的信号来控制滤光片,确保信号不相互影响。



量子信息的时代

些以及类似的实验为现今蓬勃发展的量子信息科学研究奠定了基础。


操纵和管理量子态的能力,能给我们带来新工具,其潜力超乎我们的想象。这是量子计算、量子信息的传输和存储以及量子加密算法的基础。现在,具有两个以上粒子的系统(所有粒子都纠缠在一起)正在进入实际应用,安东·蔡林格和他的同事们是第一个探索的。两个以上粒子的系统——所有粒子都是纠缠在一起的,现在正在使用中,而安东·蔡林格及其同事是最早探索这种系统的人。


这些日益完善的工具使现实应用越来越近。现在已经证明了,穿越数十公里光纤的光子之间,以及卫星和地面接收站之间存在纠缠量子态。在很短的时间内,世界各地的研究人员发现了利用量子力学最强大特性的很多新方法。


第一次量子革命给予了我们晶体管和激光。得益于操纵纠缠粒子系统的现代工具,我们现在正在进入一个新时代。


(翻译:王佳)