??什么是量子力學?

經(jīng)典物理學在19世紀末20世紀初，已經(jīng)發(fā)展得很完備。我們生活中的宏觀、低速的場景，經(jīng)典物理學都能給出很好的預(yù)測和解釋。日月星辰、蘋果小球，都遵循著同樣的運行規(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，人類進入量子時代，就在那個群星閃耀的時代，愛因斯坦提出了光量子的效應(yīng)；玻爾描述了原子的能級；薛定鍔用一個方程來描述概率波的世界；海森堡提出了 “測不準原理”。很多科學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分了。 量子有什么樣的特性？我們可以將其與經(jīng)典物理進行對比：在經(jīng)典物理學的理論之下，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，它有波動的特性，它振動的方向就叫做極化方向。極化方向可以在任何一個方向，可以是水平的，或者是垂直的，也可以處在二者的疊加態(tài)。

當我們對極化方向去做測量的時候，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)的時候，就會出現(xiàn)了量子力學的精髓——量子糾纏。

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

因為他認為，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的顏色是黃色，會有一個“超人”立刻告訴遠處的另一個人，讓他也變成黃色。這個“超人”非常強大，超越了我們的日常理解，愛因斯坦把它叫做隱變量。愛因斯坦認為，粒子的原始狀態(tài)是確定的，之所以會出現(xiàn)“遙遠之間的詭異互動”，是因為有一個隱變量在操縱。而那篇文章，因為三位作者的名字，被稱作EPR佯繆。 這就是在當時兩種量子力學學派的爭論。一派以愛因斯坦為代表，他認為世界是定域?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為，量子是有非定域性的，在非局域上能夠同時有相應(yīng)的變化產(chǎn)生。 兩個學派爭論了幾十年，一直都處在哲學思辨的層面。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)計了一個不等式，假設(shè)有這樣一個隱變量存在，這個不等式的結(jié)果不會超過2。但如果量子力學糾纏是存在的，這個結(jié)果會超過2。

貝爾不等式為實驗驗證愛因斯坦和玻爾誰對誰錯提供了思路。那么，接下來就是從不等式的數(shù)學形式到實驗驗證。John Clauser、Shimony和他的學生Horne，兩組人同時開展實驗方案的設(shè)計，后來再加上Holt，他們四個人形成了一個叫做CHSH（以其姓氏首字母命名）的不等式，這樣，貝爾不等式往實驗可驗證的路上進了一步。 后來，他們四個人又分成了三個組，去繼續(xù)實驗。1972年，Clauser第一個用量子糾纏檢驗了貝爾不等式，證明量子力學是正確的。不過，既然是第一個實驗，就有考慮不周的地方——既然是檢驗遙遠距離之間的影響，互相就不能“竊竊私語”，而Clauser的實驗設(shè)備距離很近，測量也都是固定的，就像分別對兩個孩子進行考試，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應(yīng)的。

Alan Aspect 發(fā)現(xiàn)了這個問題，他的實驗設(shè)計，能夠滿足遙遠之間互相不影響，也就是我們說的類空間隔，證明了量子力學的正確。 但Alan Aspect的實驗還是有漏洞——測量方向是周期的，如果隱變量真的存在，也許就能像超人一樣，根據(jù)這個周期來操縱實驗結(jié)果。所以，1998年，Zeilinger進一步改進實驗，他讓測量方向變成隨機的，關(guān)閉了這個局域性漏洞。 接下來，讓我們把腦洞再開大一點，考慮到在這些實驗里，探測到的這些糾纏，其實是產(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，這就是所謂探測漏洞。所以，后來一些科學家不斷改進實驗，最終同時關(guān)閉了定域性漏洞和探測漏洞，事實證明，所有的實驗都驗證了量子力學的正確性。

當然，嚴格來說，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)的漏洞沒有嚴格關(guān)閉，還需要科學家繼續(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獎：獲獎?wù)呤茿lan Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger。獎勵他們用糾纏光子進行實驗，確立了貝爾不等式的違背，開創(chuàng)了量子信息科學。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，提出并實現(xiàn)了三粒子糾纏，貝爾不等式得到了更強有力的驗證。此外，多粒子糾纏還被證明可以干別的事情，比如，量子通信，量子計算，量子精密測量等。 ? ?

量子通信的故事?

量子力學是一個革命性的觀念，對量子力學的一些根本性的問題，科學家還在繼續(xù)研究，但是對量子的應(yīng)用早已展開。今天，我想介紹量子信息科學中的重要部分——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)，竊聽者一旦有測量行為，最后通信雙方通過比對就必定會發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過比對檢驗過的密鑰，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，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，我們上海的實驗室有跟北京某個實驗室相互糾纏的物質(zhì)，我把自己跟上海的這團物質(zhì)測量一下，測量的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)去北京。北京方面根據(jù)收到的測量結(jié)果，做一次操作，我就在那邊出來了。當然，測量一個人的所有信息現(xiàn)在還辦不到。但是在我們現(xiàn)有的實驗室里，多體、多終端、多自由度、多維度的量子隱形傳態(tài)是在漸漸實現(xiàn)的。

現(xiàn)在來看一看關(guān)于量子通信早期的原理性驗證，1992年，科學家實現(xiàn)了首次的量子密鑰分發(fā)，當時的距離只有32公分，整個裝置又大又粗糙，屬于原型演示。而最早的量子隱形傳態(tài)實驗， 則是1997年，由Bouwmeester、潘建偉、Anton Zeilinger共同完成的。該實驗在1999年入選了《nature》物理學百年的21篇經(jīng)典論文，當時入選的論文工作包括倫琴的X射線，還有愛因斯坦的相對論等。到今年為止，這21篇論文全數(shù)斬獲諾貝爾獎。

從實用的角度說，既然是量子通信，就要實現(xiàn)遠距離。光子在光纖里面是有固定的損耗的，遠距離量子通信，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，外太空幾乎沒有對光子的損耗和退相干。

在自由空間量子通信的國際競爭中，我們國家率先于2011年11月啟動了中科院“量子科學實驗衛(wèi)星”的先導專項計劃，并于2016年成功發(fā)射“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星。

“墨子號”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、星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)，都已經(jīng)達到了千公里水平。

在今年諾貝爾獎公布新聞發(fā)布會上，“墨子號”研究成果被重點介紹。諾獎官方深度解讀里，也引用了中國人的一些工作。 “墨子號”取得的成功，激發(fā)了國際上很多國家投入空間量子通信計劃，目前，我們不管是在“墨子號”，還是后續(xù)的低軌小衛(wèi)星，都還是在國際上保持領(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)實現(xiàn)無縫的鏈接，來構(gòu)建具有國際引領(lǐng)地位的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和下一代的國際信息安全生態(tài)系統(tǒng)。 在基礎(chǔ)物理方面，可能會結(jié)合我國的登月計劃，開展觀測者參與的量子力學非定域性檢驗。

編輯：黃飛

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