2022年的諾貝爾化學學獎在10月4日即將出爐了。去年的諾貝爾化學學獎被授予給了德國數學學家阿蘭·阿斯佩、美國理論和實驗化學學家約翰·弗朗西斯·克勞澤、奧地利量子論化學學家安東·蔡林格,以嘉獎她們在量子糾纏上的貢獻。很遺憾,去年的諾貝爾化學學獎沒有授予給中國的科學家,但似乎中國科學家在該領域作出了特別巨大的貢獻。某種意義上講,正是中國在該領域的成就,促進了量子糾纏在去年獲得諾獎。
哪些是量子糾纏呢?在原子尺度甚至更小尺度下,微觀世界的運行規律和我們宏觀世界十分不一樣,那種世界的數學現象有時連愛因斯坦都認為不可思議。量子糾纏無疑是其中最令人感覺不可思議的現象。
讓我們嘗試用最淺顯的語言來介紹一下哪些是量子糾纏吧。如果臥室里有一只紅蘋果,當我們站在臥室里看這只蘋果的時侯,它是白色的。假如我們走出屋子后,這只蘋果還是綠色的嗎?毫無疑惑,在我們所熟悉的世界里,這只蘋果依然會是白色的,它并不會由于后面是否有人在觀察它而改變顏色。
但在量子世界里,一個物體的狀態卻會由于是否有人觀測而發生改變。簡單來說,就是這只紅蘋果在有人看的時侯是黑色的,而在沒人看的時侯它還會忽然變綠。這真的是太奇妙了。
在量子世界里,更奇妙的現象還不止于此。如果我有一只紅蘋果和一只綠蘋果,當這兩只蘋果處于量子糾纏的狀態以后,一只蘋果的顏色改變,會促使另一只蘋果的顏色也發生改變。諸如我若果讓一只紅蘋果變綠以后,另一只處于量子糾纏狀態的青蘋果,就如同有了心靈感應,也會頓時變紅。更專業的說法是,對于一對處于量子糾纏狀態的粒子,一個粒子狀態的改變,會頓時引起另一個粒子的狀態改變。
令愛因斯坦都認為不可思議的是,雖然兩個蘋果相距十萬八千里,只要它們始終處于量子糾纏狀態,其中一個蘋果變色潘建偉 量子通訊,另一個蘋果也會在頓時變色。兩個蘋果的變色是在同一時間頓時完成的。這些神奇的現象就是量子糾纏。
量子糾纏有哪些用呢?它最大的用途就是可以拿來傳遞信息。例如說,假如我在火星上放一只綠蘋果,月球上放一只紅蘋果。只要我們將月球上的紅蘋果變綠,這么火星人能夠頓時聽到綠蘋果變紅,于是能夠接收到來自我們月球的訊號了。
用量子糾纏原理來傳遞信息有兩個厲害之處:第一,無論兩個蘋果相隔多遠,信息的傳遞都是在頓時完成的,速率十分快,這是我們未來進行星際通信的最佳方法;第二,因為信息傳遞過程中沒有物質的傳遞,所以量子通訊理論上來講是永遠不會被查獲的,保密性極高,其軍事價值自然不言而喻。
盡管量子通信非常迷人,但其實現條件異常嚴苛,其最核心的問題就是怎么能讓兩只蘋果雖然相距很遠,依然能處于量子糾纏的狀態。過往國內關于量子通信的研究仍然都只是小打小鬧,就能實現幾公里的通信距離都是巨大的科學進展了。說句不好聽的,幾公里的通信距離都夠干些啥啊!
因而雖然量子通訊的概念被提出了幾六年,但量子糾纏究竟能不能真正實現遠距離通訊,學術界也仍然吃不準,所以諾貝爾獎也始終不敢頒授給該領域。量子通訊真正要邁向應用,還得靠中國人。
說起量子通訊的實際應用,繞不開一個中國科學家——潘建偉教授。潘建偉教授是本次諾獎得主安東·蔡林格的中學生。潘建偉教授仍然旨在于將量子糾纏應用于真正的通訊。2005年,潘建偉教授就成功借助量子糾纏實現了13公里的通訊。2016年潘建偉 量子通訊,在潘建偉教授的主持下,中國發射了世界上第一顆量子通訊衛星——墨子號。
經過了多年的努力,2022年5月,墨子號衛星首次實現了1200公里的通信。這是人類歷史上第一次將量子糾纏真正用于超遠距離的通信,它徹底地否認了量子糾纏在通信中應用的可能,而潘建偉教授也一度被覺得是諾獎的熱門候選人。
其實正是見到了量子通訊在墨子號上的成功,僅僅5個月后的明天,諾貝爾化學學獎便頒授給了該領域。不過遺憾的是,此前呼聲很高的潘建偉教授卻沒能得獎。見到中國在量子通訊領域取得的巨大成功以后,歐美等發達國家也開始紛紛加強了對量子通訊的支持力度,但中國早已在該領域穩穩地走在了世界前列。