什么是量子力學(xué)？量子通信的通信方式

??什么是量子力學(xué)?

經(jīng)典物理學(xué)在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，已經(jīng)發(fā)展得很完備。我們生活中的宏觀、低速的場(chǎng)景，經(jīng)典物理學(xué)都能給出很好的預(yù)測(cè)和解釋。日月星辰、蘋果小球，都遵循著同樣的運(yùn)行規(guī)律，仿佛只要知道了體系的初始狀態(tài)，后面的一切演化都是確定的。 可是，真的是這樣嗎？如果今天宇宙中的一切早在大爆炸的那一刻就決定了，人類的努力還有沒有意義？ 1900年，隨著普朗克提出了量子的能量說，人類進(jìn)入量子時(shí)代，就在那個(gè)群星閃耀的時(shí)代，愛因斯坦提出了光量子的效應(yīng)；玻爾描述了原子的能級(jí)；薛定鍔用一個(gè)方程來描述概率波的世界；海森堡提出了 “測(cè)不準(zhǔn)原理”。很多科學(xué)家共同描述了量子世界的樣貌。

那么，量子是什么呢？

量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本的單元，是能量的最基本的攜帶者，比如光子、原子、分子。并且，我們說它已經(jīng)是最基本的單元，意味著它就不可以再往下細(xì)分了。 量子有什么樣的特性？我們可以將其與經(jīng)典物理進(jìn)行對(duì)比：在經(jīng)典物理學(xué)的理論之下，我們可以用0和1作為比特來描述世界；而在量子世界里，由于量子疊加，比特可以處在0或1，也可以處在0和1的疊加的狀態(tài)。

以光子為例，光子既是粒子也是波，它有波動(dòng)的特性，它振動(dòng)的方向就叫做極化方向。極化方向可以在任何一個(gè)方向，可以是水平的，或者是垂直的，也可以處在二者的疊加態(tài)。

當(dāng)我們對(duì)極化方向去做測(cè)量的時(shí)候，結(jié)果并不是確定的，它有50%的概率在水平，有50%的概率在豎直，這就是它的疊加性。需要說明的是，這個(gè)量子疊加特性是單粒子的狀態(tài)。

如果是雙粒子或者更多的粒子出現(xiàn)的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)了量子力學(xué)的精髓——量子糾纏。

我用雙胞胎來打個(gè)比方，一個(gè)同卵的雙胞胎，即使在世界上不同的地方，如果其中一個(gè)的眼珠是黃色的，你不用去看另外一個(gè)，就可以知道他的眼睛肯定也是一樣的顏色。而實(shí)際上在量子糾纏這個(gè)問題上，情況要更復(fù)雜一些：在你沒有去測(cè)量他眼珠顏色之前，眼珠顏色是處在一個(gè)疊加狀態(tài)的，它有一定的概率處于黃，一定的概率處于藍(lán)。但當(dāng)你去看其中一個(gè)孩子眼珠顏色的時(shí)候，另一個(gè)孩子的眼珠也處在了同樣的狀態(tài)。愛因斯坦認(rèn)為，這是不可思議的，他把這種現(xiàn)象稱之為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動(dòng)”。他認(rèn)為必須要力證這個(gè)事情的荒謬。 1935年，愛因斯坦跟波爾多斯基、羅森三個(gè)人發(fā)表了一篇文章，來質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性。

因?yàn)樗J(rèn)為，身處兩地的雙胞胎，眼球的顏色肯定是預(yù)先確定的。一旦你看到其中一個(gè)的顏色是黃色，會(huì)有一個(gè)“超人”立刻告訴遠(yuǎn)處的另一個(gè)人，讓他也變成黃色。這個(gè)“超人”非常強(qiáng)大，超越了我們的日常理解，愛因斯坦把它叫做隱變量。愛因斯坦認(rèn)為，粒子的原始狀態(tài)是確定的，之所以會(huì)出現(xiàn)“遙遠(yuǎn)之間的詭異互動(dòng)”，是因?yàn)橛幸粋€(gè)隱變量在操縱。而那篇文章，因?yàn)槿蛔髡叩拿郑环Q作EPR佯繆。 這就是在當(dāng)時(shí)兩種量子力學(xué)學(xué)派的爭(zhēng)論。一派以愛因斯坦為代表，他認(rèn)為世界是定域?qū)嵲诘?，事物本身都是確定的，只要傳播的速度沒有超過光速，兩地的狀態(tài)就來不及產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。而以玻爾為代表的另一派則認(rèn)為，量子是有非定域性的，在非局域上能夠同時(shí)有相應(yīng)的變化產(chǎn)生。 兩個(gè)學(xué)派爭(zhēng)論了幾十年，一直都處在哲學(xué)思辨的層面。終于，貝爾在1964年，想出了一種方法，來證明隱變量的存在。他從EPR佯謬出發(fā)來做推論，設(shè)計(jì)了一個(gè)不等式，假設(shè)有這樣一個(gè)隱變量存在，這個(gè)不等式的結(jié)果不會(huì)超過2。但如果量子力學(xué)糾纏是存在的，這個(gè)結(jié)果會(huì)超過2。

貝爾不等式為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證愛因斯坦和玻爾誰對(duì)誰錯(cuò)提供了思路。那么，接下來就是從不等式的數(shù)學(xué)形式到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。John Clauser、Shimony和他的學(xué)生Horne，兩組人同時(shí)開展實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，后來再加上Holt，他們四個(gè)人形成了一個(gè)叫做CHSH（以其姓氏首字母命名）的不等式，這樣，貝爾不等式往實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證的路上進(jìn)了一步。 后來，他們四個(gè)人又分成了三個(gè)組，去繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。1972年，Clauser第一個(gè)用量子糾纏檢驗(yàn)了貝爾不等式，證明量子力學(xué)是正確的。不過，既然是第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就有考慮不周的地方——既然是檢驗(yàn)遙遠(yuǎn)距離之間的影響，互相就不能“竊竊私語”，而Clauser的實(shí)驗(yàn)設(shè)備距離很近，測(cè)量也都是固定的，就像分別對(duì)兩個(gè)孩子進(jìn)行考試，他們離得太近互相偷看，就算沒有糾纏，他倆的答案還是互相對(duì)應(yīng)的。

Alan Aspect 發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題，他的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠滿足遙遠(yuǎn)之間互相不影響，也就是我們說的類空間隔，證明了量子力學(xué)的正確。 但Alan Aspect的實(shí)驗(yàn)還是有漏洞——測(cè)量方向是周期的，如果隱變量真的存在，也許就能像超人一樣，根據(jù)這個(gè)周期來操縱實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以，1998年，Zeilinger進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，他讓測(cè)量方向變成隨機(jī)的，關(guān)閉了這個(gè)局域性漏洞。 接下來，讓我們把腦洞再開大一點(diǎn)，考慮到在這些實(shí)驗(yàn)里，探測(cè)到的這些糾纏，其實(shí)是產(chǎn)生的那些糾纏里的非常少的一部分，也許，超人又來“使壞”了，他故意讓你看到那有關(guān)聯(lián)的少部分，這就是所謂探測(cè)漏洞。所以，后來一些科學(xué)家不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，最終同時(shí)關(guān)閉了定域性漏洞和探測(cè)漏洞，事實(shí)證明，所有的實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。

當(dāng)然，嚴(yán)格來說，貝爾不等式假設(shè)的都是非常完美的條件，所以目前還有相關(guān)的漏洞沒有嚴(yán)格關(guān)閉，還需要科學(xué)家繼續(xù)往下走。 這些故事講完了，我們現(xiàn)在來看今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：獲獎(jiǎng)?wù)呤茿lan Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger。獎(jiǎng)勵(lì)他們用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確立了貝爾不等式的違背，開創(chuàng)了量子信息科學(xué)。是的，量子糾纏不僅有理論上的革命性意義，還可以幫助我們做很多事。比如前面提到的Anton Zeilinger，提出并實(shí)現(xiàn)了三粒子糾纏，貝爾不等式得到了更強(qiáng)有力的驗(yàn)證。此外，多粒子糾纏還被證明可以干別的事情，比如，量子通信，量子計(jì)算，量子精密測(cè)量等。 ? ?

量子通信的故事?

量子力學(xué)是一個(gè)革命性的觀念，對(duì)量子力學(xué)的一些根本性的問題，科學(xué)家還在繼續(xù)研究，但是對(duì)量子的應(yīng)用早已展開。今天，我想介紹量子信息科學(xué)中的重要部分——量子通信。 ?

首先是量子密鑰分發(fā)——光子不可再分，竊聽者是沒有辦法偷走一半的，只要通信的雙方共享了量子態(tài)，竊聽者一旦有測(cè)量行為，最后通信雙方通過比對(duì)就必定會(huì)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過比對(duì)檢驗(yàn)過的密鑰，再結(jié)合一次一密的加密方式，我們就可以在原理上實(shí)現(xiàn)無條件安全的通信方式。

原理上無條件安全的通信方式

另一個(gè)是全新的量子通信的方式——量子隱形傳態(tài)。就是利用量子糾纏，將量子信息傳送到另一地點(diǎn)，而不用傳送信息載體本身。

量子隱形傳態(tài)示意圖

在電影《星際迷航》里，就有這樣的過程。我們來想象一下，我們上海的實(shí)驗(yàn)室有跟北京某個(gè)實(shí)驗(yàn)室相互糾纏的物質(zhì)，我把自己跟上海的這團(tuán)物質(zhì)測(cè)量一下，測(cè)量的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)去北京。北京方面根據(jù)收到的測(cè)量結(jié)果，做一次操作，我就在那邊出來了。當(dāng)然，測(cè)量一個(gè)人的所有信息現(xiàn)在還辦不到。但是在我們現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室里，多體、多終端、多自由度、多維度的量子隱形傳態(tài)是在漸漸實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)在來看一看關(guān)于量子通信早期的原理性驗(yàn)證，1992年，科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了首次的量子密鑰分發(fā)，當(dāng)時(shí)的距離只有32公分，整個(gè)裝置又大又粗糙，屬于原型演示。而最早的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)， 則是1997年，由Bouwmeester、潘建偉、Anton Zeilinger共同完成的。該實(shí)驗(yàn)在1999年入選了《nature》物理學(xué)百年的21篇經(jīng)典論文，當(dāng)時(shí)入選的論文工作包括倫琴的X射線，還有愛因斯坦的相對(duì)論等。到今年為止，這21篇論文全數(shù)斬獲諾貝爾獎(jiǎng)。

從實(shí)用的角度說，既然是量子通信，就要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離。光子在光纖里面是有固定的損耗的，遠(yuǎn)距離量子通信，需要量子中繼，而更有效的方式，就是自由空間的量子通信，除了大氣層這段，外太空幾乎沒有對(duì)光子的損耗和退相干。

在自由空間量子通信的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，我們國(guó)家率先于2011年11月啟動(dòng)了中科院“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的先導(dǎo)專項(xiàng)計(jì)劃，并于2016年成功發(fā)射“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

“墨子號(hào)”發(fā)射至今，成果不斷涌現(xiàn)。星地雙向糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗(yàn)、星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)，都已經(jīng)達(dá)到了千公里水平。

在今年諾貝爾獎(jiǎng)公布新聞發(fā)布會(huì)上，“墨子號(hào)”研究成果被重點(diǎn)介紹。諾獎(jiǎng)官方深度解讀里，也引用了中國(guó)人的一些工作。 “墨子號(hào)”取得的成功，激發(fā)了國(guó)際上很多國(guó)家投入空間量子通信計(jì)劃，目前，我們不管是在“墨子號(hào)”，還是后續(xù)的低軌小衛(wèi)星，都還是在國(guó)際上保持領(lǐng)先。未來，我們希望通過太空中低軌、高軌的衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天地一體化的廣域量子通信保密體系，并且與經(jīng)典的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫的鏈接，來構(gòu)建具有國(guó)際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代的國(guó)際信息安全生態(tài)系統(tǒng)。 在基礎(chǔ)物理方面，可能會(huì)結(jié)合我國(guó)的登月計(jì)劃，開展觀測(cè)者參與的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。

編輯：黃飛

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