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2022诺奖背后,量子纠缠开启量子通信

文 | 陈根未来,作者  | 陈根

北京时间 10 月 4日17 时 45 分,2022 年诺贝尔物理学奖公布,授予法国学者阿兰·阿斯佩(Alain Aspect) ,美国学者约翰·克劳泽(John Clauser)和奥地利学者安东·蔡林格(Anton Zeilinger),以表彰他们“用纠缠光子进行实验,证伪贝尔不等式,开创量子信息科学”。

今年的诺贝尔物理学奖授予三名物理学家,既是因为他们的先驱研究为量子信息学奠定了基础是对量子力学和量子纠缠理论的承认。而展望未来,量子纠缠最为诱人的应用就是量子计算机和量子通信,其中包括量子信息、量子加密、量子传输等等,量子时代正在加速到来,人类也将经历一场全面的革新。

幽灵般的超距作用

此次获奖的核心,就在于“量子纠缠”。

通俗而言,两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事,好像有一根无形的线绳牵着他们,这种神奇现象可谓“心灵感应”。

与此类似,量子纠缠则是指在微观世界里,有共同来源的两个微观粒子之间存在纠缠关系,这两个纠缠在一起的粒子就好比是一对有心电感应的双胞胎,不论两人距离多远,千米量级或者更远,只要当其中一个人的状态发生变化时,另一个人的状态也会跟着发生一样的变化。也就是说,不管这两个粒子距离多远,只要一个粒子的状态发生变化,就能立即使另一个粒子的状态发生相应变化。

不过,在更早以前,量子纠缠并不是一个被认同的存在。爱因斯坦和玻尔都是量子力学的开创者和奠基人,但他们对量子理论的诠释却是各执己见,针锋相对。其中,爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括。爱因斯坦强调量子力学不可能有超距作用,意味着他坚持经典理论的“局域性”。

爱因斯坦认为:经典物理中的三个基本假设——守恒律、确定性和局域性,局域性应当是经典力学和量子力学所共有的。其中,守恒律指的是一个系统中的某个物理量不随着时间改变的定律,包括能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。确定性说的则是从经典物理规律出发能够得到确定的解,例如通过牛顿力学可以得到物体在给定时刻的确定位置。

局域性也叫作定域性,即认为一个特定物体只能被它周围的力影响。也就是说,两个物体之间的相互作用,必须以波或粒子作为中介才能传播。根据相对论,信息传递速度不能超过光速,所以,在某一点发生的事件不可能立即影响到另一点。因此,爱因斯坦才会在文章中将两个粒子间瞬时的相互作用称为“幽灵般的超距作用”。值得一提的是,量子理论之前的经典物理也都是局域性理论。

实际上,早在1935年,爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》,后人称之为EPR文章,EPR即是三人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论,爱因斯坦认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

与爱因斯坦的观点不同,玻尔则认为,爱因斯坦总是将观测手段与客观世界截然分开,这是不对的。以玻尔为代表的哥本哈根学派认为观测手段会影响结果,微观的实在世界只有与观测手段一同被考虑才有意义。在观测前谈论每个粒子的状态如何没有任何实际意义。并且,因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体,因此,只有用波函数描述的整体才有意义,人们不能将它们视为相隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体,它们之间便无须传递什么信息。

也就是说,EPR佯谬只不过表明了两种哲学观——爱因斯坦的“经典局域实在观”和哥本哈根学派的“量子非局域实在观”的根本区别

为量子纠缠正名

虽然EPR佯谬中的思想实验并没有达到爱因斯坦的目的,但它却开创了一小块新的领域,为后来的科学家提供了思路,促进了科学的发展。不管究竟应该如何解读量子纠缠,后来的科学家通过实验验证,证实了这种“纠缠”现象的确存在。

物理学家约翰·惠勒是提出用光子实现纠缠态实验的第一人。1946年,约翰·惠勒指出,正负电子对湮灭后生成的一对光子应该具有两个不同的偏振方向。不久后,1950年,吴健雄和沙科诺夫发表论文宣布成功地实现了这个实验,证实了惠勒的思想,生成了历史上第一对偏振方向相反的纠缠光子。

具体来看,光是一种波动,并且有其振动方向,就像平常见到的水波在往前传播的时候,水面的每个特定位置也在上下振动一样,上下就是水波的振动方向。一般的自然光由多种振动方向的光线随机混合在一起,但让自然光通过一片特定方向的偏振片之后,光的振动方向便被限制,成为只沿某一方向振动的“偏振光”。

比如,偏振式太阳眼镜的镜片就是一个偏振片。偏振片可以想象成是在一定的方向上有一些“偏振狭缝”,只能允许在这个方向振动的光线通过,其余方向的光线大多数被吸收了。

实验室中,科学家们可以使用偏振片来测定和转换光的偏振方向。光线可以取不同的线性偏振方向,相互垂直的偏振方向可类比于电子自旋的上下,因此,对用自旋描述的纠缠态稍做修正,便对光子同样适用。

也就是说,如果偏振光的振动方向与偏振片的轴一致,光线就可以通过;如果振动方向与检偏垂直,光线就不能通过。如果两者成45°角,就会有一半的光通过,另一半不能通过。不过,在量子理论中,光具有波粒二象性,并且,在实验室中完全可以使用降低光的强度的方法,让光源发出一个个分离的光子

要知道,单个光子也具有偏振信息。对于单个光子来说,进入检偏器后只有“通过”和“不过”这两种结果,因此,在入射光子偏振方向与检偏方向成45°角时,每个光子有50%的概率通过,50%的概率不通过。而如果这个角度不是45°是一个别的角度,通过的概率也将是另外一个角相关的数。

这意味着,光子既可以实现纠缠,又携带着偏振这样易于测量的性质,因此,科学家们完全可以用它们来设计实验,检验爱因斯坦提出的EPR佯谬。不过能在实验中检验量子纠缠,最初还要归功于贝尔不等式的提出。

1964年,英国物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)提出了以他名字命名的数学不等式——贝尔不等式。贝尔提出,如果存在隐藏变量,大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值

获奖者之一的克劳瑟教授,就发展了约翰·贝尔的想法,并进行了一个实际的量子纠缠实验:约翰·克劳泽建造了一个装置,一次发射两个纠缠光子,每个都打向检测偏振的滤光片。1972年,他与博士生斯图尔特·弗里德曼一起,展示了一个明显违反贝尔不等式的结果,并与量子力学的预测一致。用实验检验贝尔不等式,根本目的在于验证量子系统中是否存在隐变量,即检验量子力学到底是定域的,还是非定域的。

但克劳瑟实验仍然存在一些漏洞——局限之一是,该实验在制备和捕获粒子方面效率低下。而且由于测量是预先设置好的,滤光片的角度是固定的,因此存在漏洞。随后,阿斯佩教授进一步完善了这一实验,他在纠缠粒子离开发射源后,切换了测量设置,因此粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。

此外,通过精密的工具和一系列实验,塞林格教授开始使用纠缠态量子。他的研究团队还展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象,这使得量子在一定距离内从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

从贝尔不等式的提出,到克劳泽等的第一次实验,再到后来对于漏洞的补充和验证至今,已经过去了50多年。所有的这些贝尔测试实验都支持量子理论,判定定域实在论是失败的

量子纠缠开启量子通信

三位物理学家长期对于量子力学的研究工作,最终为量子纠缠正了名,而这对现代科技的意义却是不容小觑的。

量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。量子通信指的主要是加密以及密码的传送方式是量子的,信息的具体通信方式仍然是经典的。换言之,量子通信需要借助经典和量子两个通道:量子通道负责产生和分发量子密钥,经典通道负责传递用量子密钥加密后的真实信息。

保密和窃密的举动自古有之,“道高一尺,魔高一丈”,两者间永远进行着不停升级的智力战争。人们不断研发现代保密通信技术,不仅是为了保护个人隐私,也是为了商业、政治之间的信息保密。

然而,密码总存在被破译的可能,尤其是在量子计算出现以后,采用并行运算,对当前的许多密码进行破译几乎易如反掌

具体来看,在密码学中,需要秘密传递的文字被称为明文,将明文用某种方法改造后的文字叫作密文。将明文变成密文的过程叫加密,与之相反的过程则被称为解密。加密和解密时使用的规则被称为密钥。现代通信中,密钥一般是某种计算机算法。

对称加密技术中,信息的发出方和接收方共享同样的密钥,解密算法是加密算法的逆算法。这种方法简单、技术成熟,但由于需要通过另一条信道传递密钥,所以难以保证信息的安全传递——一旦密钥被拦截,信息内容就暴露了。由此才发展出了非对称加密技术

在非对称加密技术中,每个人在接收信息之前,都会产生自己的一对密钥,包含一个公钥和私钥。公钥用于加密,私钥用于解密。加密算法是公开的,解密算法是保密的。加密解密不对称,发送方与接收方也不对称,因此被称作非对称加密技术。从私钥的算法可以容易地得到公钥,而有了公钥却极难得到私钥。也就是说,这是一种正向操作容易、逆向操作非常困难的算法。目前常用的RSA密码系统的作用即在于此。

RSA算法是罗恩·里韦斯特(Ron Rivest)、阿迪·沙米尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德尔曼(Leonard Adleman)三人发明的,以他们姓氏中的第一个字母命名。该算法基于一个简单的数论事实:将两个质数相乘较为容易,反过来,将其乘积进行因式分解而找到构成它的质数却非常困难

比如,计算17×37=629是很容易的事,但是,如果反过来,给你629,要你找出它的因子就困难一些了。并且,正向计算与逆向计算难度的差异随着数值的增大而急剧增大。对经典计算机而言,破解高位数的RSA密码基本不可能。一个每秒钟能做1012次运算的机器,破解一个300位的RSA密码需要15万年。

但这对于量子计算机却是非常轻易的事情,使用肖尔算法的量子计算机,只需1秒钟便能破解刚才那个300位的密码。可以说,在这个数据安全愈发人人自危的今天,量子通信的发展正在成为一种必然——量子通信的魅力就在于其可以突破现有的经典信息系统的极限,这在缺乏信息安全的当下,是极大的安全感,而这或许也是此次诺贝尔物理学奖会跨越快40年将奖项颁给三位验证了量子纠缠的物理学家的原因所在。(本文首发钛媒体APP)

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