從量子糾纏到量子通信

楊先碧

量子技術(shù)是當(dāng)今世界最難懂的技術(shù)之一，因?yàn)樗鹪从诟y懂的量子科學(xué)。但目前，只有少數(shù)人才通曉的前沿量子科技，卻逐漸成為推動(dòng)人類文明進(jìn)步的重要力量。因此，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)特別青睞這個(gè)領(lǐng)域的研究。美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤、法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格就是量子科技領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家，他們用光學(xué)實(shí)驗(yàn)證明貝爾不等式不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)。他們?nèi)艘蛟诹孔蛹m纏領(lǐng)域所做出的突出貢獻(xiàn)，而獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

貝爾不等式與量子力學(xué)的矛盾

1900年之前，物理學(xué)家認(rèn)為物理量的變化是連續(xù)的。1900年，德國(guó)科學(xué)家普朗克認(rèn)為，物理量的變化是一份份的，按照整數(shù)進(jìn)行變化，由此提出了“量子”的概念。這個(gè)概念深刻地改變了人們的傳統(tǒng)觀念。一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，那個(gè)最小的基本單位就是量子。

1905年，愛因斯坦引進(jìn)光量子的概念，成功地解釋了光電效應(yīng)，他也因此獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。1924年，德布羅意提出“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為一切微觀粒子都具有波粒二象性。在這些科學(xué)家新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，量子力學(xué)建立了。由此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)以微觀粒子的形式出現(xiàn)時(shí)，它們不再遵循牛頓所建立的經(jīng)典力學(xué)，而是遵循量子力學(xué)的相關(guān)理論。

愛因斯坦雖然沒有見過量子糾纏，但他推算出了微觀粒子具有量子糾纏的特性

英國(guó)科學(xué)家貝爾提出了貝爾不等式

1935年，愛因斯坦等人在一篇論文中提出，量子力學(xué)允許粒子之間存在某種奇特的關(guān)聯(lián)，這就是量子糾纏。比如，如果在實(shí)驗(yàn)室中制造出一對(duì)具有量子糾纏特性的電子，那么它們的總角動(dòng)量為零。量子糾纏理論超越常識(shí)的是，粒子可以遠(yuǎn)距離糾纏。也就是說，不論它們相隔多遠(yuǎn)，都能存在一定的關(guān)聯(lián)。

當(dāng)然，愛因斯坦并沒有見過量子糾纏，他只是推算出微觀粒子具有量子糾纏的特性。愛因斯坦甚至懷疑量子糾纏中的遠(yuǎn)距離作用，他認(rèn)為不太可能憑空出現(xiàn)兩個(gè)遠(yuǎn)距離糾纏狀態(tài)的粒子，一定有一些未知的隱藏變量在推動(dòng)這些遠(yuǎn)距離粒子出現(xiàn)糾纏狀態(tài)。這被稱為“隱變量理論”。如果這個(gè)理論成立，那么量子力學(xué)就是一門不完備的科學(xué)。

根據(jù)隱變量理論，英國(guó)科學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾于1964年提出了貝爾不等式。根據(jù)這個(gè)不等式，如果量子糾纏存在隱藏變量，則大量的測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性永遠(yuǎn)不會(huì)超過某個(gè)數(shù)值。如果貝爾不等式成立，就意味著隱變量理論也成立。要是能用實(shí)驗(yàn)證明貝爾不等式不成立，則表明量子力學(xué)的預(yù)言正確。幾十年來，人們就把貝爾不等式成立與否作為判斷量子力學(xué)與隱變量理論孰是孰非的試金石。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證貝爾不等式不成立

1966年，還是大學(xué)生的克勞澤了解到貝爾不等式之后，就下定決心要用實(shí)驗(yàn)來證明這個(gè)不等式是否成立。其實(shí)，從貝爾不等式提出之后，不少物理學(xué)家開始嘗試用實(shí)驗(yàn)來證明貝爾不等式是否成立，只不過難以設(shè)計(jì)出精巧的實(shí)驗(yàn)。終于，1972年，克勞澤率先完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并獲得了不錯(cuò)的結(jié)果。他通過激光照射鈣原子來產(chǎn)生一對(duì)具有量子糾纏特性的光子，每個(gè)光子射向不同的濾光片，以此來測(cè)量糾纏光子的偏振狀態(tài)。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了貝爾不等式不成立，因而支持了量子力學(xué)，也就意味著量子力學(xué)不會(huì)被隱變量理論取代。

不過，一些科學(xué)家認(rèn)為克勞澤的這個(gè)實(shí)驗(yàn)還有種種不足和漏洞。比如，濾光片處于固定角度、制備和捕獲粒子的效率太低、糾纏粒子之間距離太小……其結(jié)果并不具備說服力。盡管面對(duì)著諸多挑戰(zhàn)，但克勞澤教授一直堅(jiān)持著光子糾纏的實(shí)驗(yàn)方向，并不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，最終證明了量子糾纏的超遠(yuǎn)距離干涉確實(shí)存在。

不少科學(xué)家也參與到給光子糾纏實(shí)驗(yàn)補(bǔ)漏洞的研究中。不過，消除這些漏洞是很困難的，這不但需要深厚的理論基礎(chǔ)，還需要出眾的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)要面對(duì)的是單個(gè)光子?；蛟S是“初生牛犢不怕虎”，1982年，還在攻讀博士學(xué)位的年輕人阿斯佩對(duì)克勞澤的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重大改進(jìn)。他開發(fā)了一種新設(shè)備，能夠在糾纏的光子離開發(fā)射設(shè)備后，迅速調(diào)整濾光片的角度，以此堵住濾光片處于固定角度的實(shí)驗(yàn)漏洞。

阿斯佩（左）、克勞澤（中）和蔡林格（右）的漫畫像

量子糾纏示意圖

克勞澤、阿斯佩和蔡林格的光子糾纏實(shí)驗(yàn)示意圖

后來越來越多的人繼續(xù)努力改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而蔡林格的貢獻(xiàn)無(wú)疑很大。1986年，他通過將激光照射在一個(gè)特殊的晶體上創(chuàng)造了糾纏的光子對(duì)，讓測(cè)量設(shè)定使用隨機(jī)數(shù)并可隨意轉(zhuǎn)換，從而堵住了一些實(shí)驗(yàn)漏洞。2015年，蔡林格完成了無(wú)任何漏洞的實(shí)驗(yàn)，證明了貝爾不等式不成立。從此，科學(xué)界對(duì)量子力學(xué)再無(wú)質(zhì)疑。

在“堵漏洞”的過程中，蔡林格還完成了量子信息傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。1997年，蔡林格成功地把一個(gè)光子的任意偏振態(tài)完整地傳輸?shù)搅硪粋€(gè)光子上，這是科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室里完成了量子信息傳輸。這被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)研究的開山之作。

蔡林格是中國(guó)科學(xué)院外籍院士，也是中國(guó)量子科技領(lǐng)軍人物潘建偉院士的博士導(dǎo)師。蔡林格還受聘為南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西安交通大學(xué)的名譽(yù)教授。從1983年開始，蔡林格一直與中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院等機(jī)構(gòu)定期交流與合作。

蔡林格是奧地利籍物理學(xué)家，現(xiàn)任奧地利科學(xué)院院長(zhǎng)。通過“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，蔡林格團(tuán)隊(duì)以合作形式參與了中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)，其成果入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2018年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展。

量子力學(xué)催生量子科技革命

量子力學(xué)幫助我們理解宇宙萬(wàn)物，從光到基本粒子，到原子核，到原子、分子，以及大量原子構(gòu)成的凝聚態(tài)物質(zhì)，量子力學(xué)都起了重要的作用。自20世紀(jì)30年代以來，量子力學(xué)與核科學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科交叉融合發(fā)展，催生了第一次量子科技革命。自從量子科技問世以來，已經(jīng)先后孕育出電子顯微鏡、原子鐘、激光器、半導(dǎo)體、芯片等新產(chǎn)品，為以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)90年代，諾貝爾獎(jiǎng)得主萊德曼就指出，量子科技貢獻(xiàn)了當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的三分之一。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

因此，量子科技并非遙不可及，而是已經(jīng)深入我們的日常生活。除了上述日常生活中的那些電子產(chǎn)品，量子科技還在一些我們意想不到的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮作用。比如，準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)要?dú)w功于安置在高空中的光電探測(cè)器，它們遙感遙測(cè)地球輻射信號(hào)，并通過基于半導(dǎo)體集成電路的數(shù)據(jù)處理、傳遞、成像，將大氣云圖顯示在電視屏幕上。這些過程都以量子科技為基礎(chǔ)。

三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家對(duì)量子糾纏的研究，證明了量子糾纏可以遠(yuǎn)距離完成，最大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值就在于推動(dòng)現(xiàn)代量子信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是量子通信和量子計(jì)算。當(dāng)前，量子力學(xué)逐漸開始得到應(yīng)用，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)、量子加密通信的研究越來越得到重視。

未來將是智能化的社會(huì)，智能汽車、智能機(jī)器人、智能家居將進(jìn)入尋常百姓家。但在整個(gè)社會(huì)智能化之前，需要先解決信息安全的問題，這個(gè)問題的破解方法就是發(fā)展量子通信。量子通信是使用量子態(tài)攜帶所要傳送的信息，并把量子糾纏作為信道，將該量子態(tài)從A地傳送到B地的一種通信方式。量子通信利用單個(gè)光量子不可分割和量子不可克隆的特性，確保量子信道內(nèi)傳遞的信息不會(huì)被竊取，是迄今唯一被嚴(yán)格證明的絕對(duì)安全的通信方式。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委托爾斯·漢斯·漢森在現(xiàn)場(chǎng)解讀獲獎(jiǎng)成果時(shí)，展示了一張含有中國(guó)量子衛(wèi)星的圖片。他表示，中國(guó)在量子衛(wèi)星和量子通信研究方面走在世界前列。2016年，我國(guó)發(fā)射世界上首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”。2017年，我國(guó)建成全球首條商用量子保密通信線路——“京滬干線”，長(zhǎng)達(dá)2000多千米。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，量子科技革命的第二次浪潮正在興起，人類對(duì)量子世界的探索已經(jīng)從單純的“探測(cè)時(shí)代”走向主動(dòng)“調(diào)控時(shí)代”。第二次量子科技革命將催生量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量等一批新興技術(shù)，將極大地改變和提升人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。總的來說，近年來不斷突破的量子科技正在開啟新的機(jī)遇之門，加快量子科技的發(fā)展，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、保障國(guó)家安全具有非常重要的作用。

獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

約翰·克勞澤（John Clauser），1942年出生于美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納，1969年獲得哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位，目前為湯森路透研究員、顧問。

阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect），1947年出生于法國(guó)阿讓，1983年獲巴黎第十一大學(xué)（現(xiàn)巴黎薩克雷大學(xué)）博士學(xué)位，目前為法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院教授。

安東·蔡林格（Anton Zeilinger），1945年生于奧地利里德伊姆·因克瑞斯，1971年獲維也納大學(xué)博士學(xué)位，目前為奧地利維也納大學(xué)教授。