一次高冷的量子旅行

2015年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)?lì)C給了這樣一個(gè)項(xiàng)目：“多光子糾纏及干涉度量”。簡單來說，多光子糾纏及干涉度量就是根據(jù)量子物理原理提供的一種全新方式，通過對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和邏輯操作，并對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確操縱，以確保在通信安全和提升計(jì)算速度等方面可以突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

那么問題來了，量子物理原理是什么？在推開神奇量子世界的大門前，你需要輕裝上陣：拋棄在宏觀世界所獲得的一切常識(shí)，掙脫那些由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)筑的枷鎖，保持腦洞大開的狀態(tài)，并隨時(shí)準(zhǔn)備接受各種不可能……

第一站：波粒二象性

量子是能量的最小單位。我們?cè)诔踔谢瘜W(xué)書上接觸過的原子、電子和光子，均屬量子大家庭。微觀粒子有個(gè)神奇的屬性，叫波粒二象性。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。

假設(shè)你手中有一臺(tái)電子發(fā)射器，面前擺著一個(gè)開了兩條縫隙的隔板，隔板后放置了一塊屏幕。當(dāng)你打出的電子足夠多，屏幕上會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

如果電子是粒子，那么屏幕上應(yīng)該出現(xiàn)兩條條紋——電子隨機(jī)選擇穿過兩條縫隙中的一條，并在屏幕上留下痕跡。然而，現(xiàn)實(shí)情況卻是，屏幕上留下了明暗相間的多條干涉條紋。研究這些條紋的分布后人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，電子似乎在穿過縫隙時(shí)具有某種“波”的特性。也就是說，它并非在兩條縫隙中選擇了一條穿過，而是以“波”的形式同時(shí)穿過了兩條縫隙，并且自己與自己發(fā)生了干涉——如果一條波的波峰恰好遇到另一條波的波谷，亮度剛好抵消，形成了屏幕上的“暗處”。

但是，電子又的確展現(xiàn)出粒子的特性。逐個(gè)發(fā)射電子時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，電子穿過隔板縫隙后，會(huì)在感應(yīng)屏上的某個(gè)位置打出一個(gè)亮點(diǎn)。只是它的分布符合干涉條紋的分布規(guī)律：落在亮區(qū)的概率高，落在暗區(qū)的概率低。

對(duì)此科學(xué)家給出了一個(gè)大膽的解釋：在撞上感應(yīng)屏之前，無人干擾，電子確實(shí)以波的方式穿過了兩道狹縫。然而一旦它撞上了感應(yīng)屏，波函數(shù)立刻坍縮成為一個(gè)點(diǎn)。

感應(yīng)屏在這里扮演了“觀測者”的角色，換個(gè)說法——電子呈現(xiàn)出什么狀態(tài)，取決于觀測。

觀測很重要嗎？答案是肯定的。在微觀粒子世界，任何一種介入都會(huì)對(duì)測量對(duì)象產(chǎn)生致命干擾。也就是說，你永遠(yuǎn)無法得到一個(gè)粒子的全部信息——當(dāng)你知道了它的位置，它的速度也因?yàn)槟愕摹爸馈倍l(fā)生改變——這便是鼎鼎有名的“不確定性”原理。

第二站：量子糾纏

經(jīng)過了第一站，量子糾纏的概念就該登場了：相互獨(dú)立的粒子可以完全“糾纏”在一起，對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行觀測可以即時(shí)影響到其他粒子，無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。

想象現(xiàn)在有一個(gè)大粒子衰變成了兩個(gè)小粒子，它們倆關(guān)系不和，朝著相反的方向飛去。假設(shè)這種粒子有兩種可能的自旋——“左旋”和“右旋”，根據(jù)總體守恒，如果粒子A為左旋，那么B一定為右旋；反之亦然。

可是，在我們沒有對(duì)A和B進(jìn)行觀測之前，它們的狀態(tài)都是不確定的，每個(gè)粒子都處于一種左或右可能性的疊加態(tài)。一旦我們觀測粒子A，它的波函數(shù)瞬間坍縮，并隨機(jī)選擇了一種狀態(tài)——比如“左旋”；此時(shí)，盡管已經(jīng)和A相距遙遠(yuǎn)，粒子B的狀態(tài)也就瞬間確定了（即“右旋”）。

就算這兩個(gè)粒子分別處于宇宙的兩端，它們同樣可以保持這種“默契”——一旦你隨機(jī)選擇了左，那我一定會(huì)選擇右。任何所謂的心靈感應(yīng)，都比不上“量子糾纏”來得深刻。

第三站：量子通信

接下來要進(jìn)入“核心景點(diǎn)”了——如果要在兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子之間通信呢？

此時(shí)，我們制備出了處于量子糾纏狀態(tài)的光子α和光子β，并且把α給了身在北京的甲，把β給了身在上海的乙，要傳遞的東西是光子γ。

首先，讓光子α和光子γ產(chǎn)生干涉，并記錄干涉結(jié)果。然后，甲需要用打電話、傳電子郵件等傳統(tǒng)通信方式告訴乙這一結(jié)果。拿到結(jié)果之后，乙會(huì)操作一種叫作波片的東西，把β變成γ。

這是什么意思？可以這么理解：α和β處于糾纏態(tài)，所以當(dāng)α和γ發(fā)生干涉時(shí)，γ和β也就自動(dòng)具有某種關(guān)系了。甲告訴乙α和γ的干涉結(jié)果，其實(shí)是告訴乙，β和γ應(yīng)該具有怎樣的關(guān)系。于是乙通過“反推”，就能將β變成γ。

在這場通信中，量子隱形傳態(tài)并沒有真正傳遞出去什么東西，α和β都是為了主角γ而犧牲的“炮灰”。最終目的讓?duì)鲁蔀棣?，讓乙獲得有關(guān)γ的一些信息。

第四站：量子密鑰分配

率先走進(jìn)量子通信技術(shù)實(shí)用化大門的，叫量子保密通信。它與傳統(tǒng)通信最為不同的地方在于是用量子的方式傳送密鑰。

一直以來，信息科學(xué)領(lǐng)域有信息安全的瓶頸：用芯片可能有后門，用光纖可能遭到無感竊聽，就算把信息進(jìn)行加密，也有人能破解。不過，如果用量子的方式傳送密碼，就不存在這些問題了。

量子密鑰分配是把一個(gè)信息編碼在一個(gè)光子上，一個(gè)光子有著不同的量子態(tài)，代表0和1。把光子通過光纖發(fā)射出去，接收方接到密鑰后進(jìn)行解碼。

由于一個(gè)量子的狀態(tài)是未知的，根據(jù)“不確定性原理”，我們無法獲得一個(gè)量子所有的狀態(tài)信息，因此，量子也無法被準(zhǔn)確測量和精確復(fù)制。而量子不可能繼續(xù)分割，竊聽者也就不可能把它分成兩半，一半拿走，一半傳給運(yùn)輸方。更絕妙的是，在這一傳輸過程中，一旦有人竊聽，微小的光子立刻就能做出反應(yīng)——因?yàn)樵诹孔映叨壬?，竊聽者的存在感實(shí)在太強(qiáng)了！

所以，量子保密通信的安全性能得到極大保證。如今，量子保密通信甚至被資本市場稱為“下一個(gè)萬億藍(lán)海”。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)在量子通信世界游覽了四個(gè)“景點(diǎn)”，鑒于腦細(xì)胞死傷無數(shù)，這段旅程也該告一段落。下次再進(jìn)入量子通信的世界，看點(diǎn)將越來越多。（據(jù)新華網(wǎng)）