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文|陳根未來(lái)，作者|陳根
上海時(shí)間10月4日17時(shí)45分，2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)公布，授予美國(guó)學(xué)者阿蘭·阿斯佩（Alain），法國(guó)學(xué)者約翰·克勞澤（John?）和法國(guó)學(xué)者安東·蔡林格（Anton?），以嘉獎(jiǎng)她們“用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證偽貝爾不方程，開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”。
去年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)授予這三名化學(xué)學(xué)家，既是由于她們的先驅(qū)研究為量子信息學(xué)奠定了基礎(chǔ)，也是對(duì)量子熱學(xué)和量子糾纏理論的承認(rèn)。而展望未來(lái)，量子糾纏最為迷人的應(yīng)用就是量子計(jì)算機(jī)和量子通訊，其中包括量子信息、量子加密、量子傳輸?shù)鹊?strong>量子糾纏通訊，量午時(shí)代正在加速到來(lái)，人類(lèi)也將經(jīng)歷一場(chǎng)全面的革新。
“幽靈般的超距作用”
這次得獎(jiǎng)的核心，就在于“量子糾纏”。
淺顯而言，兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，似乎有一根無(wú)形的絲線(xiàn)牽著她們，這些神奇現(xiàn)象堪稱(chēng)“心靈感應(yīng)”。
與此類(lèi)似，量子糾纏則是指在微觀(guān)世界里，有共同來(lái)源的兩個(gè)微觀(guān)粒子之間存在糾纏關(guān)系，這兩個(gè)糾纏在一起的粒子就好比是一對(duì)有心電感應(yīng)的胞胎，不論三人距離多遠(yuǎn)，千米量級(jí)或則更遠(yuǎn)，只要當(dāng)其中一個(gè)人的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)人的狀態(tài)也會(huì)跟隨發(fā)生一樣的變化。也就是說(shuō)，不管這兩個(gè)粒子距離多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，才能立刻使另一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。
不過(guò)，在更早曾經(jīng)，量子糾纏并不是一個(gè)被認(rèn)同的存在。愛(ài)因斯坦和玻爾都是量子熱學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者和奠基人，但她們對(duì)量子理論的演繹卻是各執(zhí)己見(jiàn)，針?shù)h相對(duì)。其中，愛(ài)因斯坦的觀(guān)點(diǎn)可以用其格言“上帝不擲色子”來(lái)概括。愛(ài)因斯坦指出量子熱學(xué)不可能有超距作用，意味著他堅(jiān)持精典理論的“局域性”。
愛(ài)因斯坦覺(jué)得：精典化學(xué)中的三個(gè)基本假定——守恒律、確定性和局域性，局域性應(yīng)該是精典熱學(xué)和量子熱學(xué)所共有的。其中，守恒律指的是一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)數(shù)學(xué)量不隨著時(shí)間改變的定理，包括能量守恒、動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒等等。確定性說(shuō)的則是從精典化學(xué)規(guī)律出發(fā)就能得到確定的解，比如通過(guò)牛頓熱學(xué)可以得到物體在給定時(shí)刻的確定位置。
局域性也叫作定域性，即覺(jué)得一個(gè)特定物體只能被它周?chē)牧τ绊憽Ｒ簿褪钦f(shuō)，兩個(gè)物體之間的互相作用，必須以波或粒子作為中介能夠傳播。按照相對(duì)論，信息傳遞速率不能超過(guò)光速，所以，在某一點(diǎn)發(fā)生的風(fēng)波不可能立刻影響到另一點(diǎn)。為此，愛(ài)因斯坦就會(huì)在文章上將兩個(gè)粒子間瞬時(shí)的互相作用稱(chēng)為“幽靈般的超距作用”。值得一提的是，量子理論之前的精典化學(xué)也都是局域性理論。
實(shí)際上，早在1935年，愛(ài)因斯坦、博士后羅森、研究員波多爾斯基聯(lián)合發(fā)表了論文《物理實(shí)在的量子熱學(xué)描述能夠被覺(jué)得是完備的？》，后人稱(chēng)之為EPR文章，EPR即是兩人的名的首字母。這篇文章的論證又被稱(chēng)為EPR佯謬或愛(ài)因斯坦定域?qū)嵲谡摚瑦?ài)因斯坦覺(jué)得，一個(gè)粒子只在局部擁有其所有特點(diǎn)并決定了任何檢測(cè)的結(jié)局。
與愛(ài)因斯坦的觀(guān)點(diǎn)不同，玻爾則覺(jué)得，愛(ài)因斯坦總是將觀(guān)測(cè)手段與客觀(guān)世界迥然分開(kāi)，這是不對(duì)的。以玻爾為代表的赫爾辛基學(xué)派覺(jué)得觀(guān)測(cè)手段會(huì)影響結(jié)果，微觀(guān)的實(shí)在世界只有與觀(guān)測(cè)手段一齊被考慮才有意義。在觀(guān)測(cè)前談?wù)撁课涣Ｗ拥臓顟B(tài)怎么沒(méi)有任何實(shí)際意義。而且，由于兩個(gè)粒子形成了一個(gè)相互糾纏的整體，為此，只有用波函數(shù)描述的整體才有意義，人們不能將它們視為相隔甚遠(yuǎn)的兩個(gè)個(gè)體——既然是協(xié)調(diào)相關(guān)的一體，它們之間便無(wú)須傳遞哪些信息。
也就是說(shuō)，EPR佯謬只不過(guò)表明了兩種哲學(xué)觀(guān)——愛(ài)因斯坦的“經(jīng)典局域?qū)嵲谟^(guān)”和阿姆斯特丹學(xué)派的“量子非局域?qū)嵲谟^(guān)”的根本區(qū)別。
為量子糾纏正名
盡管EPR佯謬中的思想實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有達(dá)到愛(ài)因斯坦的目的，但它卻開(kāi)創(chuàng)了一小塊新的領(lǐng)域，為后來(lái)的科學(xué)家提供了思路，推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。不管到底應(yīng)當(dāng)怎樣剖析量子糾纏，后來(lái)的科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，否認(rèn)了這些“糾纏”現(xiàn)象的確存在。
化學(xué)學(xué)家約翰·惠勒是提出用光子實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)實(shí)驗(yàn)的第一人。1946年，約翰·惠勒強(qiáng)調(diào)，正負(fù)電子對(duì)湮沒(méi)后生成的一對(duì)光子應(yīng)當(dāng)具有兩個(gè)不同的偏振光方向。不久后，1950年，吳健雄和沙科諾夫發(fā)表論文宣布成功地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，否認(rèn)了惠勒的思想，生成了歷史上第一對(duì)偏振光方向相反的糾纏光子。
具體來(lái)看，光是一種波動(dòng)，而且有其震動(dòng)方向，如同平時(shí)看到的水波在向前傳播的時(shí)侯，湖面的每位特定位置也在上下震動(dòng)一樣，上下就是水波的震動(dòng)方向。通常的自然光由多種震動(dòng)方向的光線(xiàn)隨機(jī)混和在一起，但讓自然光通過(guò)一片特定方向的偏振光片以后，光的震動(dòng)方向便被限制，成為只沿某一方向震動(dòng)的“偏振光”。
例如，偏振光式太陽(yáng)墨鏡的鏡框就是一個(gè)偏振光片。偏振光片可以想像成是在一定的方向上有一些“偏振狹縫”，只能容許在這個(gè)方向震動(dòng)的光線(xiàn)通過(guò)，其余方向的光線(xiàn)大多數(shù)被吸收了。
實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家們可以使用偏振光片來(lái)測(cè)定和轉(zhuǎn)換光的偏振光方向。光線(xiàn)可以取不同的線(xiàn)性偏振光方向，互相垂直的偏振光方向可類(lèi)比于電子載流子的上下，因而，對(duì)用載流子描述的糾纏態(tài)稍做修正，便對(duì)光子同樣適用。
也就是說(shuō)，假如偏振的震動(dòng)方向與偏振光片的軸一致，光線(xiàn)就可以通過(guò)；假如震動(dòng)方向與檢偏垂直，光線(xiàn)就不能通過(guò)。倘若三者成45°角，才會(huì)有一半的光通過(guò)，另一半不能通過(guò)。不過(guò)，在量子理論中，光具有波粒二象性，但是，在實(shí)驗(yàn)室中完全可以使用減少光的硬度的方式，讓光源發(fā)出一個(gè)個(gè)分離的光子。
要曉得，單個(gè)光子也具有偏振光信息。對(duì)于單個(gè)光子來(lái)說(shuō)，步入檢偏器后只有“通過(guò)”和“不過(guò)”這兩種結(jié)果，為此，在入射光子偏振光方向與檢偏方向成45°角時(shí)，每位光子有50%的機(jī)率通過(guò)，50%的機(jī)率不通過(guò)。而假如這個(gè)角度不是45°是一某些的角度，通過(guò)的機(jī)率也將是另外一個(gè)角相關(guān)的數(shù)。
這意味著，光子既可以實(shí)現(xiàn)糾纏，又?jǐn)y帶著偏振光這樣便于檢測(cè)的性質(zhì)，因而，科學(xué)家們完全可以用它們來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦提出的EPR佯謬。不過(guò)能在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)量子糾纏，最初還要?dú)w功于貝爾不方程的提出。
1964年，美國(guó)化學(xué)學(xué)家約翰·貝爾（JohnBell）提出了以他名子命名的物理不方程——貝爾不方程。貝爾提出，假如存在隱藏變量，大量檢測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性將永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)某個(gè)值。
得獎(jiǎng)?wù)咧坏目藙谏菏浚桶l(fā)展了約翰·貝爾的看法，并進(jìn)行了一個(gè)實(shí)際的量子糾纏實(shí)驗(yàn)：約翰·克勞澤建造了一個(gè)裝置，一次發(fā)射兩個(gè)糾纏光子，每位都打向測(cè)量偏振光的濾光片。1972年，他與博士生斯圖爾特·弗里德曼一起，展示了一個(gè)顯著違背貝爾不方程的結(jié)果，并與量子熱學(xué)的預(yù)測(cè)一致。用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)貝爾不方程，根本目的在于驗(yàn)證量子系統(tǒng)中是否存在隱變量，即檢驗(yàn)量子熱學(xué)究竟是定域的，還是非定域的。
但克勞瑟實(shí)驗(yàn)一直存在一些漏洞——局限之一是，該實(shí)驗(yàn)在制備和捕獲粒子方面效率低下。并且因?yàn)闄z測(cè)是預(yù)先設(shè)置好的，濾光片的角度是固定的，因而存在漏洞。此后，阿斯佩院長(zhǎng)進(jìn)一步建立了這一實(shí)驗(yàn)，他在糾纏粒子離開(kāi)發(fā)射源后，切換了檢測(cè)設(shè)置，因而粒子發(fā)射時(shí)存在的設(shè)置不會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
據(jù)悉，通過(guò)精密的工具和一系列實(shí)驗(yàn)，塞林格院士開(kāi)始使用糾纏態(tài)量子。他的研究團(tuán)隊(duì)還展示了一種被稱(chēng)為“量子隱型傳態(tài)”的現(xiàn)象，這促使量子在一定距離內(nèi)從一個(gè)粒子聯(lián)通到另一個(gè)粒子成為可能。
從貝爾不方程的提出，到克勞澤等的第一次實(shí)驗(yàn)，再到后來(lái)對(duì)于漏洞的補(bǔ)充和驗(yàn)證至今，早已過(guò)去了50多年。所有的這種貝爾測(cè)試實(shí)驗(yàn)都支持量子理論，判斷定域?qū)嵲谡撌鞘〉摹?span style="display:none">wx0物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
量子糾纏開(kāi)啟量子通訊
三位化學(xué)學(xué)家常年對(duì)于量子熱學(xué)的研究工作，最終為量子糾纏正了名，而這對(duì)現(xiàn)代科技的意義卻是不容輕視的。
量子通訊正是借助量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型通訊方法。量子通訊指的主要是加密以及密碼的傳送方法是量子的，信息的具體通訊方法一直是精典的。換言之，量子通訊須要利用精典和量子兩個(gè)通道：量子通道負(fù)責(zé)形成和分發(fā)量子秘鑰，精典通道負(fù)責(zé)傳遞用量子秘鑰加密后的真實(shí)信息。
保密和竊密的舉動(dòng)自古有之，“道初一尺，魔高一丈”，二者間永遠(yuǎn)進(jìn)行著不停升級(jí)的智力戰(zhàn)爭(zhēng)。人們不斷研制現(xiàn)代保密通訊技術(shù)，除了是為了保護(hù)個(gè)人隱私，也是為了商業(yè)、政治之間的信息保密。
但是，密碼總存在被破譯的可能，尤其是在量子估算出現(xiàn)之后，采用并行運(yùn)算，對(duì)當(dāng)前的許多密碼進(jìn)行破譯幾乎易如反掌。
具體來(lái)看，在密碼學(xué)中量子糾纏通訊，須要秘密傳遞的文字被稱(chēng)為明文，將明文用某種方式整修后的文字叫作密文。將明文弄成密文的過(guò)程叫加密，與之相反的過(guò)程則被稱(chēng)為揭秘。加密和揭秘時(shí)使用的規(guī)則被稱(chēng)為秘鑰。現(xiàn)代通訊中，秘鑰通常是某種計(jì)算機(jī)算法。
對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)中，信息的發(fā)出方和接收方共享同樣的秘鑰，揭秘算法是加密算法的逆算法。這些方式簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，但因?yàn)轫氁ㄟ^(guò)另一條信道傳遞秘鑰，所以無(wú)法保證信息的安全傳遞——一旦秘鑰被攔截，信息內(nèi)容就曝露了。由此才發(fā)展出了非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)。
在非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)中，每位人在接收信息之前，就會(huì)形成自己的一對(duì)秘鑰，包含一個(gè)私鑰和公鑰。私鑰用于加密，公鑰用于揭秘。加密算法是公開(kāi)的，揭秘算法是保密的。加密揭密不對(duì)稱(chēng)，發(fā)送方與接收方也不對(duì)稱(chēng)，因而被叫做非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)。從公鑰的算法可以容易地得到私鑰，而有了私鑰卻極難得到公鑰。也就是說(shuō)，這是一種正向操作容易、逆向操作十分困難的算法。目前常用的RSA密碼系統(tǒng)的作用即在于此。
RSA算法是羅恩·里韋斯特（Ron）、阿迪·沙米爾（Adi）和倫納德·阿德?tīng)柭ǎ┒税l(fā)明的，以她們姓氏中的第一個(gè)字母命名。該算法基于一個(gè)簡(jiǎn)單的圖論事實(shí)：將兩個(gè)因數(shù)相加較為容易，反過(guò)來(lái)，將其乘積進(jìn)行因式分解而找到構(gòu)成它的奇數(shù)卻十分困難。
例如，估算17×37=629是很容易的事，并且，假如反過(guò)來(lái)，給你629，要你找出它的因子就困難一些了。而且，正向估算與逆向估算難度的差別隨著數(shù)值的減小而大幅減小。對(duì)精典計(jì)算機(jī)而言，破解高位數(shù)的RSA密碼基本不可能。一個(gè)每秒鐘能做1012次運(yùn)算的機(jī)器，破解一個(gè)300位的RSA密碼須要15萬(wàn)年。
但這對(duì)于量子計(jì)算機(jī)卻是十分輕易的事情，使用肖爾算法的量子計(jì)算機(jī)，只需一秒鐘便能破解剛剛那種300位的密碼。可以說(shuō)，在這個(gè)數(shù)據(jù)安全更加人人自危的明天，量子通訊的發(fā)展正在成為一種必然——量子通訊的魅力就在于其可以突破現(xiàn)有的精典信息系統(tǒng)的極限，這在缺少信息安全的當(dāng)下，是極大的安全感，而這其實(shí)也是這次諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)會(huì)跨越快40年將獎(jiǎng)項(xiàng)頒給三位驗(yàn)證了量子糾纏的化學(xué)學(xué)家的誘因所在。（本文首發(fā)鈦媒體APP）