今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予他們，以表彰他們在量子力學(xué)和量子糾纏理論方面的貢獻(xiàn)。 不過，這一理論未來可能仍需檢驗(yàn)。
▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。圖/諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)
文字| 張?zhí)炜?span style="display:none">3tY物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
據(jù)新華社報(bào)道，瑞典皇家科學(xué)院10月4日宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏”領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)光子實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證貝爾不等式的違反，并開創(chuàng)量子信息科學(xué)。”
對于普通人來說，量子科學(xué)和量子糾纏是極其高端的理論，一般人根本無法理解和理解。 對此，瑞典皇家科學(xué)院也試圖使其解釋盡可能簡單，簡單描述了阿斯佩、克勞瑟和蔡林格的研究成果。 他們?nèi)烁髯岳眉m纏量子態(tài)進(jìn)行了開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，其中兩個(gè)粒子即使在分離時(shí)也表現(xiàn)得像一個(gè)單元。 他們的結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路。
什么是量子糾纏？
量子力學(xué)已經(jīng)產(chǎn)生了難以形容的影響并開始得到應(yīng)用。 量子力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域并不像以前想象的那么前沿，有很大的局限性，但有廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全量子加密通信。 量子力學(xué)應(yīng)用和發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是如何讓兩個(gè)或多個(gè)粒子以所謂的“糾纏態(tài)”存在。 處于“糾纏態(tài)”的一個(gè)粒子所發(fā)生的情況決定了另一個(gè)粒子所發(fā)生的情況，即使它們相距很遠(yuǎn)。
顯然，瑞典皇家科學(xué)院的解釋無法讓太多人理解。 因此，可以通過降維并結(jié)合量子通信來理解。 所謂量子，是指能表現(xiàn)某種物質(zhì)或物理量特性的最小單位。 如果一個(gè)物理量具有最小的不可分割的基本單位，則該物理量被量子化，最小的單位稱為量子。
粒子是指以自由狀態(tài)存在的物質(zhì)的最小組成部分。 因此，在物理學(xué)中，由兩個(gè)或多個(gè)粒子組成的系統(tǒng)中相互相互作用的現(xiàn)象稱為量子糾纏。 愛因斯坦將量子糾纏稱為“遠(yuǎn)距離幽靈相互作用”（幽靈般的遠(yuǎn)距離相互作用），在注意到糾纏量子態(tài)的令人費(fèi)解的特性后物理學(xué)的量子糾纏原理，愛因斯坦懷疑量子力學(xué)并不是一個(gè)完整的系統(tǒng)。 理論。
通俗地說，量子糾纏就是粒子（光子）、原子等最小物質(zhì)之間的接觸、疊加、糾纏，就像一種信息傳輸和通訊的混沌狀態(tài)。 正是有了這樣的通信，才能實(shí)現(xiàn)量子通信和量子計(jì)算機(jī)。 ，量子互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)。 然而，信息的傳播需要媒介，如空氣（聲波）、水（波）、電（波）、光纖等。 對于這些媒體，還需要信息的兼容性和理解（例如相同的語言，英語或中文）。 以及信息到達(dá)時(shí)接收信息的接口。
▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。圖/新華社
量子糾纏的用武之地
如今，人類的通訊方式有QQ、微信等，即便如此，人們?nèi)匀桓杏X比較慢且不安全，于是量子糾纏就發(fā)揮了作用。
2010年，加州理工學(xué)院研究小組實(shí)現(xiàn)了四個(gè)量子界面之間的糾纏。 隨后，清華大學(xué)段路明團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中首次利用分束技術(shù)實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子界面之間的量子糾纏，比之前4個(gè)量子界面之間的糾纏記錄提高了約6倍。 這也意味著未來不僅可以通過量子接口實(shí)現(xiàn)量子通信和量子互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，而且通信和網(wǎng)絡(luò)速度都將得到大幅提升。
此外，公開資料顯示，2017年，中國科學(xué)院院士潘建偉等人利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 在1200公里的通信距離上，衛(wèi)星上的量子誘餌態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個(gè)信號。 一個(gè)信號光子可以在一次軌道對接實(shí)驗(yàn)中生成安全密鑰，平均碼率高達(dá)1.1kbps。
這項(xiàng)技術(shù)被稱為星地雙向量子糾纏分發(fā)。 其傳輸效率比目前相同距離的地面光纖通道高20個(gè)數(shù)量級，即提高萬億倍。 這就好比一個(gè)人步行到火星（如果有路的話）和光速（光波或電磁波在真空或介質(zhì)中的傳播速度，每秒30萬公里）到火星的速度之差。
2018年，芬蘭阿爾托大學(xué)Mika 教授團(tuán)隊(duì)成功對兩個(gè)獨(dú)立振動(dòng)的耳膜進(jìn)行了量子糾纏。 每個(gè)耳膜只有 15 微米寬，大約是頭發(fā)的寬度，由 1015 個(gè)金屬鋁原子組成。 使用超導(dǎo)微波電路，兩個(gè)耳膜在接近絕對零（-273°C）的溫度下持續(xù)相互作用約 30 分鐘。
這些研究證明物理學(xué)的量子糾纏原理，量子糾纏并不是幽靈般的相互作用或心靈感應(yīng)，而是真實(shí)存在的。 然而，它們是基于 Asper、 和 的工作。
關(guān)鍵是在20世紀(jì)60年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了貝爾不等式，該不等式指出，如果存在隱變量，大量測量值之間的相關(guān)性永遠(yuǎn)不會(huì)超過某個(gè)值。 然而，克勞澤設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量，通過明顯違反貝爾不等式證明了量子力學(xué)的實(shí)際相關(guān)性，這意味著量子力學(xué)不能被使用隱變量的理論所取代。
Aspe還設(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來證明兩個(gè)粒子的波函數(shù)之間的相關(guān)性仍然存在，因?yàn)樗鼈冊跍y量其中一個(gè)粒子之前曾經(jīng)是同一波函數(shù)的一部分而沒有受到干擾。
的團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證明了一種稱為量子隱形傳態(tài)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以將量子態(tài)從一個(gè)粒子長距離移動(dòng)到另一個(gè)粒子。
感謝這三個(gè)人的開創(chuàng)性工作，量子通信和量子計(jì)算機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)。 2019年，谷歌表示，他們已經(jīng)能夠使用53量子位的量子計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法完成的任務(wù)。 這臺量子計(jì)算機(jī)可以在3分20秒內(nèi)完成特定任務(wù)。 如果世界上最強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)之一美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行同樣的任務(wù)，大約需要一萬年的時(shí)間。
雖然谷歌后來撤回了這篇論文，但這也表明量子力學(xué)和量子糾纏將在網(wǎng)絡(luò)、IT和計(jì)算機(jī)中發(fā)揮巨大作用。 所有這一切都依賴于 Aspe、 和 的工作。 今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了他們，以表彰他們對量子力學(xué)和量子糾纏理論的認(rèn)可。
不過，這一理論未來可能還需要經(jīng)過長期的檢驗(yàn)。
作者：張?zhí)熨▽谧髡撸?span style="display:none">3tY物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
編輯/馬小龍
校對/劉越
