量子糾纏與量子通信

今年諾貝爾物理學獎頒發(fā)給了三位關于“量子糾纏”實驗取得較大成就的物理學家。2022年10月4日，在瑞典皇家科學院宣布，2022年度諾貝爾物理學獎授予阿蘭.阿斯佩、約翰.弗朗西斯.克勞澤、安東.塞林格，表彰他們以糾纏光子實驗證明違反貝爾不等式和開創(chuàng)性的量子信息科學做出的貢獻。

一、什么是量子

什么是量子，什么是糾纏，量子為什么會糾纏，糾纏的基礎動力、條件是啥，這都是量子力學的內(nèi)容，還得從牛頓宏觀力學說起。

牛頓力學已經(jīng)很完備，可以解釋一切宏觀物體的運動規(guī)律，比如天體運動，在望遠鏡沒有看到冥王星時，牛頓力學就可以推論出冥王星的存在。空氣動力學實現(xiàn)飛機上天，各種機械運動、傳動，一切能量轉(zhuǎn)化等等，牛頓力學都能解釋，即使光的波動性，光的色散、折射等牛頓都有精確的研究。

但奇怪的是，以愛因斯坦為首的科學家發(fā)現(xiàn)了光不僅是波，光還是粒子，這下對原子核內(nèi)部的質(zhì)子、電子、中子、中微子、夸克等的研究進入新時代。科學家認為：光子是能量元，是微粒的躍遷（比如電子躍遷）產(chǎn)生光，這些微粒的運動不遵從宏觀運動規(guī)律，量子力學就應運而生。其中量子力學中有一個推定就是“光速不變”，光子相對與任何物體都是光速，比如電燈一開，光子就在一個三維空間以光速傳播。量子力學有一些概念很燒腦、很抽象、數(shù)學推演很復雜，這里盡量避開。所以，研究這些微粒間作用規(guī)律的學問就是量子力學的雛形。

量子的定義，物理學這樣定義：物理上存在最小的不可分割的基本單位叫量子。顯然研究分子、原子、原子核、質(zhì)子、中子，他們都是可以分割的，當他們在分割時會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化、發(fā)生能級躍遷就有光子產(chǎn)生，最基本的能量元光子就是量子，高速運動的電子就是量子。

二、什么是量子糾纏

量子糾纏一詞還得從“薛定諤的貓”說起。比如氫原子核外只有一個電子在繞原子核高速運動，在某一時刻電子只可能在某一位置，其他位置是空的，科學家觀察電子所在位置時發(fā)現(xiàn)一個詭異的現(xiàn)象是，這一個電子同時在任何一個位置出現(xiàn)，無論怎樣觀察都是這一結(jié)果。愛因斯坦不相信這個結(jié)果，薛定諤也不相信這個結(jié)果，于是薛定諤提出這個思想，這樣設計一個實驗：在黑匣子里放上一只貓，再放里邊一點有毒的放射性物質(zhì)，然后選擇一個時間點打開黑匣子，我們猜想的結(jié)果是：一半的概率是這只貓已經(jīng)被毒死，一般的概率貓還活著，沒有其他任何可能，這是生活中的邏輯。顯然，薛定諤是以通俗的比喻否定貓是處于又生又死疊加狀態(tài)，薛定諤原本是諷刺的舉例，并調(diào)侃說難道量子世界有糾纏？這就是量子糾纏的一詞的來歷。

氫原子核外的只有一個電子，是以電子云存在，電子的位置是“測不準”，盡管難以理解，但電子所在空間太小，影響不了我們的生活。

三、量子糾纏的速度

在1935年，愛因斯坦帶著兩位科學家一起發(fā)表了一篇著名的文章。因為是三位物理學家的實驗（E:愛因斯坦、P：波多爾斯基和R：羅森），所以取自這三位物理學家的名字的首字母命名就叫EPR實驗，愛因斯坦通過疊加態(tài)和守恒律得出了一個結(jié)論，發(fā)現(xiàn)量子世界會發(fā)生超光速的事情。

那究竟啥是守恒律？世界的守恒率是世界運動的基石，比如質(zhì)量守恒，能量守恒，動量守恒，角動量守恒等。舉個例子，電子就是基本的量子，我們研究時把一對電子看作一個整體研究，就滿足以上的守恒，一個順時針自旋，另一個就一定逆時針自旋，角動量守恒，如果把其中的一個拉開距離很遠，這兩個電子依然是疊加態(tài)，就是糾纏的電子。當一個電子坍縮了，另一個也會同時坍縮，因為他們要守恒，這個傳遞是不受光速約束的。

諸多疑問來了，我們以前的認知能量傳遞是需要介質(zhì)的，在介質(zhì)中傳遞最快的是光速，量子糾纏中的兩個電子那邊的電子咋知道這邊的電子坍縮了？又咋知道那邊電子的自旋的方向？這已經(jīng)顛覆了愛因斯坦的量子力學理論體系，包括已經(jīng)被驗證成立的麥克斯韋光速不變方程式，愛因斯坦開始懷疑自己創(chuàng)立的量子力學應該是不完善的。

這種現(xiàn)象耗費了很多物理學家研究量子糾纏的速度究竟是多大，今天的技術(shù)測得，這個數(shù)值已經(jīng)達到光速的萬倍以上。

要知道愛因斯坦的相對論里有個基本假設：光速是物質(zhì)和信息傳遞的最快速度，所以愛因斯坦經(jīng)常吐槽量子力學有問題。

四、實現(xiàn)量子通信

今年獲得諾貝爾物理學獎的三位物理學家，證明了量子糾纏情況下貝爾不等式不成立。貝爾其人是愛因斯坦的信徒，想證明愛因斯坦是對的，于是他提出了貝爾不等式（這里不再詳述貝爾不等式），結(jié)果這個不等式的導出證明愛因斯坦錯了。

再后來，全世界許多實驗室都實現(xiàn)了量子糾纏的信息傳遞，中國科技大學潘建偉團隊的成果走在了世界的前列，不僅可以實現(xiàn)地面?zhèn)鬟f信息，還實現(xiàn)了地面向太空的信息傳遞，再度刷新世界紀錄。

量子糾纏，只是量子力學的一部分，盡管我們還沒有糾纏清楚，但糾纏的應用已經(jīng)在路上。

量子力學的理論在不斷發(fā)展，量子力學的應用空間極大，需要全世界的科學家探究思考，科學無止境，技術(shù)無止境。

來源: 網(wǎng)絡