跨越空間、超越光速，量子糾纏究竟有多神秘

席金合

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面的貢獻(xiàn)。這3位科學(xué)家很早就開(kāi)展了量子物理實(shí)驗(yàn)研究，為開(kāi)辟量子技術(shù)新時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

什么是量子？什么又是量子糾纏？它們對(duì)我們的生活有什么用？

量子時(shí)代加速到來(lái)，人類(lèi)正在經(jīng)歷一場(chǎng)全面的革新。在這場(chǎng)革新中，中國(guó)科學(xué)家也正扮演著越來(lái)越重要的角色。2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)研究成果雖無(wú)中國(guó)科學(xué)家之名，卻凝結(jié)著中國(guó)科學(xué)家的心血和汗水。

量子糾纏顛覆傳統(tǒng)世界

簡(jiǎn)單地說(shuō)，量子就是在不改變?cè)緦傩郧疤嵯碌淖钚◇w積物質(zhì)；所謂量子糾纏，好比微觀世界中的“心靈感應(yīng)”現(xiàn)象。1935年，愛(ài)因斯坦等人提出的EPR悖論認(rèn)為，兩個(gè)曾經(jīng)相互作用過(guò)的粒子，無(wú)論相距多遠(yuǎn)，始終遙相“呼應(yīng)”，共同保持互動(dòng)狀態(tài)。比如兩個(gè)處于“糾纏態(tài)”但自旋方向相反的電子，即使它們分別位于銀河系兩側(cè)，只要一個(gè)自旋方向發(fā)生改變，另一個(gè)也同時(shí)隨之改變。

神奇吧！兩個(gè)電子似乎以某種方式極快地“互通消息”，達(dá)成默契，而且“互通消息”的速度還遠(yuǎn)大于光速。只有所謂的“靈異事件”才會(huì)出現(xiàn)這種情況，這明顯違背相對(duì)論中光速不可超越的觀點(diǎn)，所以稱(chēng)其為悖論。其實(shí)，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)的局限性，相互糾纏的粒子之間存在著讓人無(wú)法知道的相互作用或信息傳遞，也就是隱變量。

20世紀(jì)60年代，愛(ài)爾蘭實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家貝爾提出一個(gè)不等式可用來(lái)驗(yàn)證量子糾纏。十幾年后，約翰·克勞澤率先完成了檢驗(yàn)這個(gè)不等式的實(shí)驗(yàn)。又過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間，阿蘭·阿斯佩利用兩個(gè)光子完成更為精確和幾乎無(wú)漏洞的不等式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨后，安東·蔡林格也完成了更多糾纏粒子的無(wú)漏洞不等式驗(yàn)證。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，神奇的量子糾纏確實(shí)存在！

科技史上又一次偉大的革命

對(duì)普通人來(lái)說(shuō)，量子方面的問(wèn)題高深莫測(cè)，但這門(mén)建立于20世紀(jì)初的前沿學(xué)科，確實(shí)開(kāi)啟了人類(lèi)科學(xué)史上又一次偉大的革命。

在保障信息安全、提高運(yùn)算速度、增強(qiáng)測(cè)量精度方面，量子科技突破了經(jīng)典技術(shù)的瓶頸，成為信息、能源、材料和生命等領(lǐng)域重大技術(shù)創(chuàng)新的源泉，為保障國(guó)家安全和支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供了核心戰(zhàn)略動(dòng)力。

量子糾纏反映的是跨越空間的相互依賴(lài)性，正是這一點(diǎn)“縫合”了空間和時(shí)間這“兩張皮”，形成了一張“時(shí)空”網(wǎng)絡(luò)，使我們可以談?wù)摗皶r(shí)空”的一部分與另一部分的關(guān)系。不過(guò)，這種設(shè)想法仍是一幅具有高度推測(cè)性的理論圖景。

時(shí)空是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所描繪的四維結(jié)構(gòu)，該理論表示它有特定的形狀。正是時(shí)空的形狀定義了引力：質(zhì)量讓時(shí)空發(fā)生彎曲，彎曲的時(shí)空導(dǎo)致的物體運(yùn)動(dòng)，使引力得以顯現(xiàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，量子力學(xué)與廣義相對(duì)論所支持的引力理論如何協(xié)調(diào)一致，一直是個(gè)謎團(tuán)，而量子糾纏或許正是解決這一謎團(tuán)的關(guān)鍵。

目前，量子糾纏的這種詭異特性已被科學(xué)家巧妙運(yùn)用于遠(yuǎn)程通信技術(shù)。把兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的粒子分開(kāi)，讓一個(gè)攜帶著所要發(fā)送的信息，那么遠(yuǎn)在千里之外的另一個(gè)粒子會(huì)出現(xiàn)同樣的反應(yīng)；根據(jù)這種反應(yīng)，就可知道對(duì)方所發(fā)的是什么信息。我國(guó)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就基于這種原理，并率先在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了星地量子通信。

科學(xué)研究事業(yè)不分國(guó)界

中國(guó)科學(xué)界也一直密切關(guān)注這一獲獎(jiǎng)研究成果，因?yàn)樵谶@項(xiàng)殊榮的背后，也凝結(jié)著中國(guó)科學(xué)家的心血和汗水。中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉就曾作為安東·蔡林格的學(xué)生，參與了這項(xiàng)研究工作，為此作出重要貢獻(xiàn)。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在祝詞中就提到，安東·蔡林格的4篇量子通信實(shí)驗(yàn)方面的論文，有2篇的第一作者是潘建偉，另2篇的第二作者也是他。

可見(jiàn)，對(duì)于這一獲獎(jiǎng)成果，中國(guó)科學(xué)家功不可沒(méi)。說(shuō)到這里，你可能會(huì)問(wèn)：潘建偉為什么沒(méi)有在獲獎(jiǎng)人員之列呢？有人認(rèn)為，潘建偉的工作更多地傾向于應(yīng)用，比起應(yīng)用科學(xué)，諾貝爾獎(jiǎng)更“偏愛(ài)”基礎(chǔ)科學(xué)。也有人認(rèn)為，從科學(xué)研究跨國(guó)合作的角度看，許多科研成果并非哪一個(gè)人的功勞，都是在前人努力的基礎(chǔ)上，通過(guò)多方面長(zhǎng)期合作而取得的，應(yīng)為人類(lèi)共同所有。所以，個(gè)人榮譽(yù)并不重要，只要我們能夠?yàn)橹?、并且成果為我們所用，才是最重要的。量子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)要經(jīng)歷無(wú)數(shù)次失敗才能成功，是一個(gè)漫長(zhǎng)而艱辛的過(guò)程，需要長(zhǎng)時(shí)間的磨煉，也需要無(wú)數(shù)科研人員的參與。這次諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)還提到了另外3篇量子通信論文，它們都是中國(guó)科學(xué)家目前正在獨(dú)立研究的領(lǐng)域，已經(jīng)初見(jiàn)成效。

中國(guó)量子科技成就卓著

中國(guó)高度重視發(fā)展量子信息技術(shù)，并突破了一系列重要難題和關(guān)鍵核心技術(shù)，取得了一批具有國(guó)際影響力的研究成果。

量子通信的目標(biāo)是建立全球廣域量子通信體系，利用光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)，通過(guò)中繼器溝通城市之間的聯(lián)絡(luò)，借助衛(wèi)星平臺(tái)中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)區(qū)域間的信號(hào)交流。目前，我國(guó)建成了國(guó)際上首條遠(yuǎn)程光纖量子保密通信骨干網(wǎng)——京滬干線，在金融、政務(wù)、電力等領(lǐng)域開(kāi)展保密通信技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用示范。同時(shí)，前面提到的“墨子號(hào)”是世界上第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，并首次實(shí)現(xiàn)洲際量子通信，充分驗(yàn)證了基于衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全球化量子通信的可行性，成果居于國(guó)際領(lǐng)先地位。

當(dāng)前，量子計(jì)算研究也已實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，也就是量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)。2020年，潘建偉團(tuán)隊(duì)研制的量子計(jì)算原型機(jī)——“九章”，繼美國(guó)谷歌“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)之后，把全球量子計(jì)算的前沿研究推向新的高度。這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的里程碑式突破，與發(fā)達(dá)國(guó)家處于同一水平。此外，在量子精密測(cè)量方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距也在迅速縮小，有的研究成果與國(guó)際最高水平相當(dāng)。