跨越空間、超越光速，量子糾纏究竟有多神秘

□文/席金合

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(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)家很早就開展了量子物理實(shí)驗(yàn)研究，為開辟量子技術(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，人類正在經(jīng)歷一場全面的革新。在這場革新中，中國科學(xué)家也正扮演著越來越重要的角色。2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)研究成果雖無中國科學(xué)家之名，卻凝結(jié)著中國科學(xué)家的心血和汗水。

量子糾纏藝術(shù)設(shè)想圖

量子糾纏顛覆傳統(tǒng)世界

簡單地說，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)相互作用過的粒子，無論相距多遠(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，愛爾蘭實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家貝爾提出一個(gè)不等式可用來驗(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)。又過了很長時(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)普通人來說，量子方面的問題高深莫測，但這門建立于20世紀(jì)初的前沿學(xué)科，確實(shí)開啟了人類科學(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，為保障國家安全和支撐國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展提供了核心戰(zhàn)略動(dòng)力。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星與地面站建立天地鏈路

“墨子號(hào)”的這張示意圖出現(xiàn)在諾貝爾獎(jiǎng)官方PPT中

量子糾纏反映的是跨越空間的相互依賴性，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，這種設(shè)想法仍是一幅具有高度推測性的理論圖景。

時(shí)空是愛因斯坦廣義相對(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)。長期以來，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，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“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星就基于這種原理，并率先在國際上實(shí)現(xiàn)了星地量子通信。

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一分鐘速讀2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)方面的研究成果，榮獲2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。此成果可用于治療癌癥、制造材料和闡明細(xì)胞工作原理等，特別是用于探索細(xì)胞和跟蹤生物過程。這一成果不是為了應(yīng)對(duì)過于復(fù)雜的問題，而是用簡易的方法處理問題。

長期以來，人們總想構(gòu)建越來越復(fù)雜的分子，比如在藥物研發(fā)方面，但這通常受到耗費(fèi)時(shí)間長和成本高昂的限制。而利用點(diǎn)擊化學(xué)和生物正交化學(xué)的原理，能簡單、快速、可靠、重復(fù)地將兩個(gè)分子像車上的安全帶卡入鎖扣一樣，緊緊地結(jié)合在一起，形成一個(gè)新分子，用以開發(fā)癌癥治療藥物。簡單地說，就是讓藥物分子和靶向（導(dǎo)向）分子“咬合”在一起，形成一個(gè)“生物導(dǎo)彈”，在人體內(nèi)專找癌細(xì)胞進(jìn)行毀滅性攻擊，而不傷及其他正常細(xì)胞。

科學(xué)研究事業(yè)不分國界

中國科學(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)著中國科學(xué)家的心血和汗水。中國科學(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，對(duì)于這一獲獎(jiǎng)成果，中國科學(xué)家功不可沒。說到這里，你可能會(huì)問：潘建偉為什么沒有在獲獎(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”基礎(chǔ)科學(xué)。也有人認(rèn)為，從科學(xué)研究跨國合作的角度看，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，通過多方面長期合作而取得的，應(yīng)為人類共同所有。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)歷無數(shù)次失敗才能成功，是一個(gè)漫長而艱辛的過程，需要長時(shí)間的磨煉，也需要無數(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，它們都是中國科學(xué)家目前正在獨(dú)立研究的領(lǐng)域，已經(jīng)初見成效。

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一分鐘速讀2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

我們從何而來？與史前人類有何種關(guān)系？智人和其他古人類的區(qū)別是什么？2022年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的研究成果——對(duì)古人類基因組測序，回答了這些問題。

獲獎(jiǎng)科學(xué)家先是成功測出現(xiàn)代人已滅絕的近親——尼安德特人的基因組序列，并通過對(duì)比分析得知，尼安德特人和智人的最新共同祖先生活在80萬年前；又對(duì)一塊4萬年前的碎骨上的DNA進(jìn)行測序，再與尼安德特人和現(xiàn)代人類的DNA比對(duì)，發(fā)現(xiàn)是獨(dú)一無二的；由此，發(fā)現(xiàn)了一種以前不為人知的古人類——丹尼索瓦人，然后經(jīng)過進(jìn)一步研究得知，這支古人類種群和智人之間發(fā)生過基因轉(zhuǎn)移。

這一重大發(fā)現(xiàn)，開啟了對(duì)人類進(jìn)化史的新認(rèn)識(shí)。當(dāng)智人遷出非洲時(shí)，至少有兩支現(xiàn)在已滅絕的原始人種居住在歐亞大陸。其中，尼安德特人居住在歐亞大陸西部，而丹尼索瓦人居住在東部。當(dāng)智人擴(kuò)張和遷徙時(shí)，他們不僅遇到了尼安德特人，而且遇到了丹尼索瓦人。

中國量子科技成就卓著

中國高度重視發(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，我國建成了國際上首條遠(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，成果居于國際領(lǐng)先地位。

“九章”量子計(jì)算機(jī)模型 供圖/人民視覺

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)國家處于同一水平。此外，在量子精密測量方面，我國與發(fā)達(dá)國家的差距也在迅速縮小，有的研究成果與國際最高水平相當(dāng)。