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奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?

(2016-03-06 12:26:40)
标签:

纠缠态

自由度

光量子

量子力学

波函数

奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?

              2015年,对中科大潘建伟院士和他领导的科研团队而言,是极不平凡的一年,这一年他们发表的科研成果:“多自由度量子隐形传态”被欧洲物理学会权威学术期刊“物理世界”评为2015年十大科技突破之首。与此同时,他们的“多光子纠缠及干涉度量”研究成果,获2015年度国家自然科学一等奖。如此重量级的奖项和权威学术机构的肯定,对那些一直以来非议和反对潘建伟研究成果的人而言,该是尘埃落定的时候了。如果你们在这个领域有真本事,那就到权威学术期刊和潘建伟争论吧,在网络上宣嚣鼓噪甚至进行人身攻击,只能是混淆视听。应该说,对科技前沿的探索和研究,存在学术争议是正常现象,尤其是潘建伟所研究的“量子纠缠”现象,即便在理论物理领域都存在很大争论,但它又有着让人类振奋的应用前景,如同当年麦克斯威尔提出电磁波理论和方程,从而使当今世界进入信息网络时代一样,如果量子通讯和量子计算真能走出一条成功之路,无疑将带来又一次科技变革!对这样的科学探索和研发即便有风险也应支持和鼓励。

 奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?
          
李克强总理视察中科大潘建伟科研团队实验室  

  
奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?
     

           那什么是“量子纠缠”呢?这得回顾下历史。上世纪初随着原子核内部结构的揭示和一批基本粒子的发现,科学家们打开了神奇而迷幻的微观世界大门,在这个世界中粒子的相互作用和运动规律完全不同于宏观世界,在此,经典力学已无用武之地,于是描述粒子相互作用原理和运动规律的“量子力学”应运而生,波尔,海森伯,薛定谔,狄拉克,德布罗依,泡利等一批物理学家是这门学科的创始人。而“量子”和“量子化”概念的提出应归功于德国物理学家普朗克。量子并不是指某一特定的基本粒子,在微观世界中某些物理量的变化是以最小单位量呈跳跃式进行,而非连续式的,这个单位量被称作“量子”。而“光量子”的概念是爱因斯坦提出的,由此爱因斯坦还发现和论证了“光电效应”。光量子概念提出后,科学家们认识到粒子都存在波,粒二象性。粒子都有其各自的力学特征和态势,如不同的自旋,动量,角动量等,我们将其称作自由度。粒子的运动呈量子态进行,而量子态又有着隐态和显态两种形态,由于粒子运动是非连续的呈波动式进行,所以在量子力学中用波函数来描述其粒子的运动。薛定谔是第一个用波函数建立量子力学波动方程的人。在量子力学中从宏观角度无法理解的怪异现象就是“测不准原理”和“量子纠缠”,测不准原理是海森伯提出的,其含义是粒子处于某一状态时,其力学量(自由度)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现。如此状况下,只能用概率来预测,这与宏观世界的观测大相径庭。而“量子纠缠”指的是在两个或两个以上粒子的系统中,相互关联影响的现象,这种关联性不受距离限制,也即是说,两粒子尽管相隔遥远,当一粒子被操作,状态发生变化时,另一粒子也会作对应的改变。实质上粒子世界普遍的关联性则成为构成世界的基本关联关系。量子纠缠现象的确很难于理解,笔者在此作个通俗的比喻:一对双胞胎姐妹,分别在中国和美国,其中一个头部被撞,而另一个同时间感觉头部剧痛,这对双胞胎就可视作关联体,她们之间连动也称得上是“纠缠”现象。

   “量子纠缠”是量子力学理论的重要预测,它是从理论推导中得出。纠缠态的概念最早出现在薛定谔“猫态”论文中,1935年,爱因斯坦,波多尔斯基和罗森三位科学家,首先推导出两粒子的纠缠态,从理论上预见了量子纠缠现象。但由于这种“超距作用”,违背了经典物理学“定域性原理”,连爱因斯坦本人都不相信会存在纠缠现象,所以爱因斯坦将纠缠态以悖论的疑问方式提出。爱因斯坦有句名言:“上帝不掷骰子”,玻尔也将其称作“鬼魅般的远距作用”。由此可见,尽管量子纠缠是量子力学严谨的理论预见,但是否真实存在,至少在上世纪存在巨大争议。

  奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?
              双光子纠缠态实验模型示意图
奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?
       

      那么如此幽灵般的远程效应是否真实存在呢?1964年,物理学家斯图尔特.贝尔第一个作了证明实验,被后来的科学家称为“无漏洞的贝尔实验”。1997年,奥地利塞格林小组在室内完成了量子隐态传输的实验验证。2000年,美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态验证。2005年,中科大潘建伟,彭承志等科研人员在合肥实现了13公里双向量子纠缠“拆分”“发送”的世界纪录。2009年中科大和清华大学在北京实现了16公里自由空间量子态隐形传输,证实了量子隐态传输穿越大气层的可行性,为今后卫星量子通信打下基础。2005年美国国家标准局实现了6个和8个离子的纠缠态,此记录还未被打破。2015年,荷兰代尔夫特理工大学科学家们,在相隔1.3公里的校园两侧进行了单电子(自旋)纠缠实验,据称该实验填补了“贝尔实验”余下的两个漏洞。从而进一步证实量子纠缠的存在性。     
 奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?
         美日科学家近期提出时空的形成缘于量子纠缠
 

 奇幻的“量子纠缠”能否引发量子信息革命?
       借助光子检测器观察到三维时空的光量子纠缠          
   

    在量子纠缠态和量子隐态传输等领域,中国无疑走在世界前列,其中尤以中科大潘建伟科研团队取得的成绩最为突出。2015年,他们的研究成果“单光子多自由度量子隐形传态”打破了1997年以来只能传输粒子单个自由度的局限,为发展可扩展的并行量子计算和量子网络技术打下了坚实基础。该成果被欧洲物理学会学术期刊“物理世界”评为2015年十大科技成就之首。他们的另一项成果“多光子纠缠及干涉度量”实现了五个光子的纠缠态。同时他们也保持了量子隐态传输实验的最远纪录(16公里)以及穿越大气层的可行性。今年我国将发射用于量子通信的卫星,以进行卫星和地面量子通信实验。同时将在今年完成京沪干线2000公里光纤量子通信项目。人数不多的潘建伟科研团队,十多年间,在“自然”“物理世界”“物理评论快报”“自然·物理”等国际顶级学术期刊,发表了36篇学术论文,这至少在中国是极为罕见的,他们的创新精神,高质量高效率的工作成果,让我们敬佩!
    几点看法:

     (1)时至今日,是否可以认为量子纠缠实验已无疑点和漏洞了呢?回答是否定的,但可以肯定的是,随着实验精准和完善,疑点和漏洞会越来越少。

     (2)纠缠态是瞬间实现,无法想象速度会是多少,据潘建伟团队推论,量子隐态传输的速度至少是高于光速4个数量级,这已是无法想象的天文数字。以银河系为例,银河系的半径是5万光年,也即是说光都要走5万年,而量子隐态传输最多5年。事实是,纠缠态到底有多快,无法说清。

     (3)在这个网络攻击和电子监视无处不在的时代,量子通信在地球上应用其优势在于安全性,由于量子态无法克隆和单光子无法分割,所以从理论上分析量子通信应是最安全的,而其发展远景应是用于人类星际飞行和寻找地外文明。

     (4)由于多粒子纠缠态和多自由度量子纠缠的实现,未来的量子计算机将会是多态并行运算,其运算速度比现行电子计算机呈数量级增长。但因量子运算方法,量子编码及量子运算物理体系等均未建立,所以就现价段而言只能说是个起步。

     (5)美,日科学家近期研究发现,时空的出现可能来自“量子纠缠”科学家们正从量子纠缠的角度解释时空的形成,这为广义相对论和量子力学的统一迈出重要的一步。奇幻的量子纠缠或许是探索宇宙形成过程的密钥。

 

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