哆啦A夢(mèng)的傳送門(mén)指日可待？用蘋(píng)果讓你看懂獲2022諾獎(jiǎng)的量子糾纏

北京時(shí)間2022年10月4日下午17點(diǎn)45分，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)在斯德哥爾摩正式揭曉，法國(guó)科學(xué)家Alain Aspect、美國(guó)科學(xué)家John F.Clauser和奧地利科學(xué)家Anton Zeilinger共享殊榮。諾獎(jiǎng)官方給出的獲獎(jiǎng)理由是，表彰他們“進(jìn)行了糾纏光子的實(shí)驗(yàn)，確立了對(duì)貝爾不等式的不成立，并開(kāi)創(chuàng)了量子信息科學(xué)”。

（圖片來(lái)源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

本次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，從理論上證明了量子糾纏的可行性，是量子通信領(lǐng)域的奠基人。他們的成就讓量子通信的實(shí)施和量子計(jì)算機(jī)的搭建成為可能，這是可能在未來(lái)徹底顛覆人類(lèi)現(xiàn)有科技體系的重大成就。三位科學(xué)家2010年即獲得了有“小諾貝爾獎(jiǎng)”之稱(chēng)的“沃爾夫獎(jiǎng)”，十余年來(lái)始終是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的熱門(mén)候選人。

和集成電路、藍(lán)光LED等其它利用了量子技術(shù)的眾多有形成果不同，量子科學(xué)本身具有高度的抽象性。這也是為什么對(duì)于普通公眾來(lái)說(shuō)，對(duì)量子通信的認(rèn)識(shí)容易處于一種看不見(jiàn)摸不著的懵懂狀態(tài)。在這里，筆者給自己定了個(gè)小目標(biāo)——這篇文章將不會(huì)出現(xiàn)艱深的專(zhuān)門(mén)用語(yǔ)，而是盡量利用生活中的簡(jiǎn)單例子讓大家對(duì)量子科學(xué)和量子通信有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。

快來(lái)花幾分鐘時(shí)間，了解一下人類(lèi)最前沿的科學(xué)技術(shù)（之一）吧。

量子糾纏想象圖（圖片來(lái)源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

01

我的地盤(pán)我做主

歡迎來(lái)到量子世界

經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，量子科學(xué)的相關(guān)研究本身已經(jīng)形成了枝繁葉茂的龐大系統(tǒng)，它的正確性也在不斷得到驗(yàn)證。但是，不得不承認(rèn)，量子科學(xué)的諸多規(guī)律與我們?cè)诤暧^世界中的日常經(jīng)驗(yàn)完全不同，筆者在碩士階段學(xué)習(xí)相關(guān)課程時(shí)，也時(shí)常感到不可思議甚至是不愿相信。為了便于大家理解后面的內(nèi)容，我們先用打比方的形式來(lái)舉幾個(gè)能體現(xiàn)量子世界奇妙性的例子。

在舉例子之前，讓我們先記住一些“設(shè)定”——當(dāng)物理學(xué)研究對(duì)象本身的維度進(jìn)入到微觀領(lǐng)域時(shí)，量子理論就將掌控各種自然規(guī)律。微觀量子世界中，“居民們”的第一條特性就是量子化。質(zhì)量、能量等若干物理量，將從宏觀世界中的連續(xù)變化呈現(xiàn)為間斷性變化，體現(xiàn)出量子特征。

舉個(gè)不太確切的例子，宏觀世界的蘋(píng)果，有大有小，蘋(píng)果的大小可以連續(xù)變化。比如我們采摘一百顆蘋(píng)果，它們的大小可能是0.1千克到1千克中的任意取值。而微觀世界中的蘋(píng)果，大小就不是連續(xù)變化的了，而是相當(dāng)于某個(gè)基礎(chǔ)蘋(píng)果尺寸的整數(shù)倍，不存在其它尺寸的微觀蘋(píng)果。

在量子力學(xué)的世界中，很多物理量都是某一基礎(chǔ)值的整數(shù)倍（圖片來(lái)源：作者自制）

量子世界中，各種微觀粒子都在一刻不停地進(jìn)行著各種形式的運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)，它們的狀態(tài)在一刻不停地發(fā)生著變化。這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)倒是沒(méi)有太大沖突，畢竟運(yùn)動(dòng)是永恒的，靜止是相對(duì)的。但在量子世界中，粒子的運(yùn)動(dòng)具有天然的隨機(jī)性，任何一個(gè)時(shí)刻，如果不進(jìn)行測(cè)量，誰(shuí)都無(wú)法知道微觀粒子到底運(yùn)動(dòng)到了什么地方。

我們還是以蘋(píng)果為例，宏觀世界的蘋(píng)果，成熟后就會(huì)掉落到地上，假設(shè)我們從蘋(píng)果脫離蘋(píng)果樹(shù)的一刻開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算，那么我們能夠根據(jù)牛頓定律推算出蘋(píng)果在落地前任意時(shí)刻的位置和速度?？墒羌偃绲搅宋⒂^世界，蘋(píng)果下一秒出現(xiàn)在哪里我們是無(wú)從得知的，只能給出一個(gè)概率，指出它大概在哪里。

量子世界的另外一個(gè)神奇之處在于，我們的觀測(cè)會(huì)影響到微觀粒子的狀態(tài)。宏觀世界的蘋(píng)果，不管我們有沒(méi)有盯著看，它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)顏色始終是固定的，要么是一顆青蘋(píng)果，要么是一顆紅蘋(píng)果。不管你有沒(méi)有閉上眼睛，蘋(píng)果的顏色不會(huì)發(fā)生變化。而微觀世界的蘋(píng)果呢？在我們沒(méi)有進(jìn)行觀測(cè)之前，微觀蘋(píng)果的狀態(tài)是隨機(jī)的，可能是紅也可能是綠。一旦我們睜眼觀察，微觀蘋(píng)果的狀態(tài)就會(huì)固定，呈現(xiàn)綠色或者紅色。

量子力學(xué)奠基人群像（1927年第五次索爾維會(huì)議）

（圖片來(lái)源：公有領(lǐng)域）

02

量子糾纏——粒子間的“心靈感應(yīng)”

說(shuō)完了量子世界中的一些基本原理，我們來(lái)看看量子糾纏和量子通信到底是怎樣的概念。

量子糾纏是量子世界中，一個(gè)非常玄幻的現(xiàn)象。一旦一對(duì)（或者多個(gè)）微觀粒子處于糾纏態(tài)，它們之間就會(huì)發(fā)生相互影響，當(dāng)一顆粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另外一顆也將瞬間隨之變化。最為神奇的是，這種糾纏并不是宏觀意義上真的像線團(tuán)一樣的繞在一起，而是可以在非常遙遠(yuǎn)的距離上實(shí)現(xiàn)。

下面我們來(lái)看例子，假如兩顆微觀小蘋(píng)果處于糾纏態(tài)，那么當(dāng)其中一顆呈現(xiàn)綠色的時(shí)候，另外一顆就瞬間呈現(xiàn)紅色。即便它們一顆在金星，一顆在火星，這種狀態(tài)變化仍然會(huì)穿越時(shí)空，在瞬間發(fā)生。

量子糾纏如此神奇，因此它的概念一經(jīng)提出，立刻成為了諸多科學(xué)狂想的理論基礎(chǔ)，其中比較典型的是瞬間移動(dòng)和量子通信。所謂的瞬間移動(dòng)就是哆啦A夢(mèng)的傳送門(mén)，可以將人或者物體在瞬間傳送到很遠(yuǎn)的地方。不得不說(shuō)，雖然量子糾纏有一點(diǎn)瞬間移動(dòng)的意味，但發(fā)生移動(dòng)的并不是實(shí)體，而僅僅是狀態(tài)，并且是微觀粒子的某些特殊狀態(tài)。所以，瞬移到底有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)可能，并不是量子糾纏能夠回答的。

一種制備糾纏光子對(duì)的方法

（圖片來(lái)源：維基百科，作者：老陳）

03

量子通信，讓科學(xué)狂想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

不過(guò)，量子通信倒是確確實(shí)實(shí)已經(jīng)成為了人類(lèi)目前的研究熱點(diǎn)之一，它的理論基礎(chǔ)便是量子糾纏。試想，當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)，不論相隔多遠(yuǎn)，一旦其中之一的狀態(tài)被我們觀測(cè)確定，另外一個(gè)的狀態(tài)也就隨之固定。也就是說(shuō)雖然不能傳送實(shí)體，但是可以傳送信息，這不就是現(xiàn)代通信在做的事情嗎？

實(shí)際的量子通信當(dāng)然非常復(fù)雜，不過(guò)我們?nèi)匀豢梢杂么虮确降男问奖M量通俗地理解量子通信的實(shí)施過(guò)程。

首先，我們需要在微觀果園里，培育兩顆滿足量子糾纏狀態(tài)的小蘋(píng)果，它們一顆綠色，一顆紅色，且某一顆變色后另外一顆就會(huì)同時(shí)瞬間變色。下面我們把兩顆小蘋(píng)果中的一顆送去火星，另外一顆就在地球。此時(shí)它們還不具備傳送信息的能力，所以我們還需要引入一顆專(zhuān)門(mén)進(jìn)行控制的小蘋(píng)果。

當(dāng)我們把第三顆小蘋(píng)果靠近地球上的小蘋(píng)果時(shí)，地球上的小蘋(píng)果就會(huì)發(fā)生狀態(tài)改變，比如紅色變綠色。此時(shí)火星上的小蘋(píng)果就會(huì)瞬間感應(yīng)到這種變化，從綠色變成紅色。如此一來(lái)，就完成了一次信號(hào)的傳遞。之后，如果我們把地上的第三顆小蘋(píng)果拿走，第一顆小蘋(píng)果就會(huì)瞬間變回紅色，而火星上的第二顆小蘋(píng)果就會(huì)瞬間變成綠色。即便是紅綠兩種狀態(tài)，也可以定義為二進(jìn)制計(jì)算機(jī)中的0和1，假如第三顆小蘋(píng)果靠近和拿走的速度足夠快，我們就足以在短時(shí)間內(nèi)傳遞豐富的信息。

不得不說(shuō)，從普通人的視角來(lái)看，量子糾纏實(shí)在是太“邪乎”了，就算是黑洞都沒(méi)有這么讓人難以接受。可是，它確實(shí)是物質(zhì)世界的基本規(guī)律，正如諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在獎(jiǎng)項(xiàng)宣布時(shí)所說(shuō)，量子糾纏并非是科學(xué)極客的自?shī)首詷?lè)，更不是科學(xué)幻想，它切實(shí)存在于我們每一個(gè)人的身邊。

值得一提的是，2018年中國(guó)墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星完成洲際間量子通信實(shí)驗(yàn)的事例也出現(xiàn)在了獎(jiǎng)項(xiàng)宣布時(shí)的官方PPT中，這是對(duì)中國(guó)在此領(lǐng)域取得成就的巨大肯定，也讓我們共同期待更多的進(jìn)展。

出現(xiàn)在諾獎(jiǎng)官方PPT中的中國(guó)墨子號(hào)

（圖片來(lái)源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

無(wú)論是昨天的生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，還是今天的物理學(xué)獎(jiǎng)，今年的諾獎(jiǎng)似乎對(duì)基礎(chǔ)研究更加青睞，不知道化學(xué)獎(jiǎng)將會(huì)花落誰(shuí)家呢？讓我們拭目以待。

出品：科普中國(guó)

作者：張昊

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

文章由科普中國(guó)出品，張昊制作，中國(guó)科普博覽監(jiān)制。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源

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