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                                量子糾纏到底“糾纏”個啥? 【科普】

                                時間:2016-11-17 14:38:15 點擊:

                                  核心提示:張文卓 (中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科學技術大學上海研究院副研究員)  (資料來源于中國科普博覽、中科院之聲)  近日,潘建偉院士帶領的中國科學技術大學團隊的“多光子糾纏和干涉度量...

                                 

                                  張文卓 (中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心、中國科學技術大學上海研究院副研究員)

                                  (資料來源于中國科普博覽、中科院之聲)

                                  近日,潘建偉院士帶領的中國科學技術大學團隊的“多光子糾纏和干涉度量學”獲得了2015年度國家自然科學一等獎,是中國自然科學領域的最高獎項。該團隊也 打破了國家自然科學一等獎歷史上最年輕團隊的記錄。五位完成人按獲獎順序依次為潘建偉院士、彭承志教授、陳宇翱教授、陸朝陽教授、陳增兵教授。其中潘建偉、彭承志、陳增兵三位為“70后”,陳宇翱和陸朝陽為“80后”。

                                  與 以往的很多國家自然科學一等獎相比,該團隊在頂級論文數量和國際影響力上都更為出類拔萃,其成果3次入選美國物理學會(American Physical Society)評選的“年度物理學重大事件”(The Top Physics Stories of the year),2次入選英國物理學會(Institute of Physics)評選的“年度物理學重大進展”(Highlights of the year),最近被英國物理學會的Physics world網站評選為2015世界物理學十大進展第一名(Breakthrough of the Year)。

                                  這次潘建偉院士團隊獲獎的項目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學”,細心的朋友會發現這就是潘建偉院士2012年在《現代物理評論》(Review of Modern Physics)雜志上發表的論文“Multiphoton entanglement and interferometry”的譯名[1]!冬F代物理評論》為物理學領域最頂級的綜述雜志,僅向各個領域世界知名的物理學家約稿來介紹該領域最新進展。潘院士這篇綜述也是中國科學家發表在該刊物的第一篇實驗論文。

                                  在量子通信和量子計算等多個方向上,潘建偉團隊都取得了世界領先的科研成果,而“多光子糾纏和干涉度量學”作為核心研究內容之一,貫穿始終!岸喙庾蛹m纏”顧名思義就是讓多個光子產生糾纏。這是利用光子做量子隱形傳態和量子計算的必要前提。

                                  量子力學中“糾纏”指的是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例,一個粒子A可以處于某個物理量的疊加態,可以用一個量子比特來表示:

                                  ΦA=a|0>A+b|1>A ,

                                  另一個粒子B也處于疊加態:

                                  ΦB=c|0>B+d|1>B 。

                                  當兩個粒子發生糾纏,就會形成一個雙粒子的疊加態,例如:

                                  ΦAB=ad|0>A|1>B +bc|1>A|0>B

                                  就是一個糾纏態:當A粒子處于0態時,B粒子一定處于1態;反之,當A粒子處于1態時,B粒子一定處于0態。

                                (圖片來源:NATURE)

                                  在沒有外界干擾的情況下,無論兩個粒子相隔多遠,糾纏態都可以存在,因此量子糾纏曾經被愛因斯坦稱為“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance),并以此來質疑量子力學的完備性(因為違反了他提出的“定域性”原理)。但是后來一次次實驗都證實量子力學是對的,非定域的量子糾纏可以存在,定域性原理必須舍棄。

                                  隨著量子信息學的誕生,量子糾纏成為了量子通信和量子計算的核心。最新的研究表明,微觀的量子糾纏和宏觀的熱力學第二定律,甚至是時間之箭的起源都有著密不可分的關系。

                                   針對量子信息處理尤其是光量子計算的需求,糾纏的光子數自然是越多越好。在實驗上,光子糾纏需要對光子源產生的光子通過各種光學干涉的方法來獲取,這就是“多光子糾纏”和“多光子干涉度量學”成為一個整體課題的原因。產生糾纏的光子數越多,干涉和測量的系統也就越復雜,實驗難度也就越大。

                                  如圖1,一個紫外光脈沖照射BBO晶體可以有一定概率產生一對光子(o和e),通過在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,o光子和e光子都可以形成水平偏振H和豎直偏振V的疊加態,于是o光子和e光子就形成了一個糾纏態|HH>+|VV>(即o光子是H偏振時,e光子一定也是H偏振,反之o光子是V偏振時,e光子一定也是V偏振)。

                                圖1 雙光子干涉和糾纏產生的光路示意圖

                                  把雙光子干涉產生糾纏的方法層層累加,擴展到更多的光子,就可以形成更多光子的糾纏。潘建偉團隊從2004年開始,一直保持著糾纏光子數的世界紀錄。2004年在世界上第一個實現了5光子糾纏,2007年在世界上第一個實現了6光子糾纏,2012年在世界上第一個實現了8光子糾纏,并且保持該記錄至今。

                                  圖2是實現8光子糾纏的光路簡圖。由于光子產生和光學干涉測量的概率都是隨著光子數指數上升,所以每增加一個糾纏光子,光學干涉系統就要復雜一倍,糾纏的產生難度也會隨著光子數指數上升。該團隊通過一個個在國際上原創的多光子干涉測量技術,經過不懈努力克服各種實驗困難,才能夠多次打破自己保持的世界記錄,并將記錄定格為8個。

                                  該團隊以多光子糾纏技術為基礎,在自由空間量子通信領域實現了世界首個百公里級的量子糾纏分發和量子隱形傳態,在量子計算領域實現了世界上首個光量子Shor算法和拓撲量子糾錯。

                                圖2 潘建偉團隊實現8光子糾纏的光路示意圖

                                  “多光子糾纏和干涉度量學”獲得國家自然科學一等獎實至名歸,但這僅僅是潘建偉院士團隊的一部分工作。

                                  2016年,該團隊承擔研制的世界首顆“量子科學實驗衛星”將發射升空,將實現世界首個星地間的量子保密通信和量子隱形傳態。同時,源于該團隊技術的世界首個量子保密通信主干網絡“京滬干線”也即將建成。

                                  在量子計算領域,該團隊和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子計算聯合實驗室”,在保持光量子計算世界領先地位的同時,將大力推動我國量子計算整體研究水平。有理由期待潘建偉院士的團隊在未來會帶給中國和全世界更多的驚喜。

                                  如果你還是沒懂什么是量子?什么是量子糾纏?量子技術對我們的生活帶來了什么樣的福音?分身術、隱形傳輸還將是遙遠的神話么?下面聽聽潘建偉院士團隊成員,也是潘建偉的高徒——國際年輕量子科學家陳宇翱怎么說。

                                  以下為文字實錄:

                                  今天,我的題目是《追夢量子世界》。

                                  說到量子,大家可能既熟悉又陌生,什么是量子?舉個例子,我手上這支遙控器,它就是個神奇的量子筆。我們按一下翻頁,大家可以猜一猜在這一瞬間有多少個量子發射出去了?我可以告訴大家的是,我在按下翻頁的瞬間,有上萬億個量子發射出去了,它是不是很厲害。

                                  為什么這么厲害?請允許我給大家介紹下量子的概念。量子它是一個能量的最小單位,所有的微觀粒子包括分子、原子、電子、光子,它們都是量子的一種表現形態。我們知道這個世界本身都是由微觀粒子組成的。所以,某種意義而言,我們這個世界就是由量子組成的。我手上這支筆,在座的大家,包括我自己都是24K純量子產品。

                                  大家呼一口氣都是上萬億量子的進出,所以大家都是分分鐘幾十億上下的人才。這么說來,量子它并不神秘,也沒什么高深的,但是對量子研究,在過去的一百年已經成為現代科技的支柱,發展出了諸如激光、核磁共振、高溫超導、巨磁阻,這些跟我們生活都息息相關的一些科技進展,而且可以想象,也可以相信未來會給我們帶來更多的進展。

                                  什么是量子疊加原理和量子糾纏?

                                  說到量子世界,其實有兩個最基本的原理,就是量子疊加原理,而另外一個其實是由量子疊加原理引申出來的量子糾纏。

                                  首先我給大家介紹下量子疊加原理。什么是量子疊加原理?舉個例子來說,《西游記》我想大家都看過吧!就算沒有看過原著,電視劇三十年如一日的重播,肯定也會看過,我從小也非常希望有孫悟空的一個能力,就是它的分身術,一個分身留在這里聽老師訓話上課,另外一個分身就跑出去搗蛋。那么在量子的世界里,量子就是孫悟空,它也有分身術,但是跟孫悟空的分身術不一樣的地方在于,在量子的世界里量子的分身術不能被人看到,一旦有人去看它,它的分身就會隨機地消失,而最后只留下一個。

                                  假設你在ABC三個地方有三個分身,如果有人不管在那個地方去看它,它有可能AB的分身消失,也有可能是BC,也有可能是AC,隨機的消失一個,而只留下一個分身,這個就是跟孫悟空分身術不一樣的地方。這個事情本身可以通過一個雙縫實驗來驗證。有這么兩個一模一樣的狹縫,我們有一桿槍不停地發出電子,那么電子會同時穿過這兩個狹縫,而在背后留下一個相應的干涉條紋。但如果我們有一個裝置可以去看,這個電子是從哪個狹縫過的時候,你就會發現,每一次它只從其中一個過,而在后面留下兩條杠。沒有觀測的時候,它是同時穿過;有觀測的時候,它只從一個地方穿過,兩種狀態并行,這個就是量子疊加原理。

                                  再舉一個形象的例子,假設我就是一個量子,我下班回家有兩條路,一個是鮮花市場,一個是海鮮市場,每天我下班回家,我開著自己的車,相當于我對自己進行個測量。那么,我就很清楚,我是從哪條路回家的;氐郊依,我太太也很清楚因為她聞一下我就知道,如果我是從鮮花市場,那么我身上都是香的;如果我身上全是魚腥味,那么就知道,我是從海鮮市場。但有天我非常累,我就打了個車回家,回到家以后,我太太問我說,今天你是從哪條路回來的呀?我說不好意思,剛剛路上睡著了,我也不知道從哪條路上回來的。你聞下我身上看看。她聞了一下發現好奇怪,怎么你身上一半是香的,一半是臭的,就好像我從兩條路同時過來了一樣,那么,這個就是量子的疊加原理。當有人對它進行測量,它就只有一種狀態,如果沒有人對它測量的話,它是多種狀態并存。當然,在現實生活中,更大的可能,我是被那個出租車司機給坑了。這個是量子疊加原理。

                                  如果把量子疊加原理合到多個量子的情況會是什么呢?那就是一個愛因斯坦稱之為遙遠距離詭異的相互作用的一個量子糾纏,它就像雙胞胎心靈感應一樣,這兩顆骰子無論相距多遠,擲出來的結果始終是一樣的。那么用剛剛那個量子分身的概念來講,就是說,比如說我和你糾纏在一起,每個人都有兩個分身在北京和上海,如果有人對我進行了測量,那么我們知道有個分身會消失,那么你的分身會怎么樣呢?我可以告訴大家的是,你的分身也會消失。比如我上海的分身消失了,只留下北京的分身,那我就知道,而且必然會發生的事情,就是你在上海的分身也會消失,只留下北京的分身,這就是量子糾纏。

                                  有了量子糾纏,量子隱形傳輸的概念也就呼之欲出。如果我們想把北京的量子傳送到上海,那怎么辦呢?我現在北京和上海之間建立這樣的糾纏,然后我通過對兩地的粒子,做一些特殊的操作,那么在北京的量子就會消失出現在上海。

                                  有了量子疊加原理和量子糾纏,那么我們到底有些什么用呢?首先一個應用就是計算機的一個飛躍,因為我們知道,我們經典的計算機中,它只有0和1,每個比特都是這兩種狀態,但在我們的量子中可以處在0和1的疊加狀上,那么這樣我一旦操縱的量子數目增多,它就會以指數增長的形式來提升它的運算速度,有這么個并行運算的能力。舉個例子來說,我們如果分解300位的大數分解,用經典的計算機,它需要15萬年,那我有個量子計算機,它只要一秒鐘就可以算出來。當我們操縱25個量子的時候,我們的計算機能力已經達到了現有的計算機四核計算能力,而當我們能操縱50個量子的時候,現在世界上最快的計算機——天河二號,它的計算能力已經趕不上了。當然量子計算還比較遙遠,雖然說未來它會給我們帶來很多的應用,比如說天氣預報、石油勘探等等等等。

                                  量子保密通訊

                                  而目前來看,量子分身術,一個更為直接的應用,就是量子保密通訊,我們傳統的世界里,我認為,最安全的一個信息傳遞方式,就是通過光纜,因為它把所有的光的能力,都限制在光纖里面,外面得不到能量,所以認為這個傳輸是安全的。而如果把光纜沉到幾千米的海底,那就更安全了。但是隨著科技的發展,現在已經有這么一個裝置,我只要把這個光纜往這個裝置上盤一盤,就能夠讓它有很小很小的一部分能力泄露出來。而我們現在科技發展了,這么一份能量,可以對他進行了完全的探測,就是這么一部分的能量探測,我就對于你這個光纜里傳遞的信號,對它來說完全就是透明的了,可以完全獨處你在光纜里面傳遞的信息。這樣一來,對我們個人而言,對國家而言,就完全沒有,還有什么安全可言。

                                  幸運的是,量子保密通信提供了一個這樣的一個傳遞方式。比如說,如果我想把一個小秘密,傳送給吳老師,那么首先我怎么辦呢?我先給它傳一把鑰匙,再給它傳一個箱子,那個箱子是用一把鎖鎖起來了的,吳老師有這把鑰匙,就可以把箱子打開,讀到里面的內容,那我是用量子的方式來傳這個鑰匙,大家知道我剛剛講到,就是說量子它有很多的分身,所以呢,如果有人想截獲這把鑰匙,是不是能得到這個秘密呢?是不可能,為什么?因為他一旦對鑰匙進行了測量,我們知道,其他的分身就會消失了。所以,我們一看就知道有人在竊聽,那我們就把這把鑰匙廢掉,我再給吳老師一把。那有人提到說既然你都截獲了,你為什么不復制一把鑰匙呢?就是說你復制一把鑰匙,再把鑰匙交給吳老師,吳老師以為沒人竊聽,那就是說我再把箱子傳過去的時候,它就可以把它打開。

                                  量子不可克隆原理

                                  說到這個我就要提一個也是量子疊加原理保證的一個非常簡單,但是非常美的一個定理,叫做量子不可克隆原理。我們知道再經典里面,我們有復印機、一張白紙、一封信,再一掃描,就可以復印出兩個來,我們在量子世界里面,假設有這么一個克隆機,可以對量子進行克隆,那我們知道0就變成兩個0,而1就變成11,那在做的小朋友可能比在座的更小的小朋友們都可以算出來,如果我輸入了一個0+1的疊加態,那它就應該不是,00+11這樣的一個糾纏的形式。

                                  而我們知道,我們作為一個克隆機,我所想要的是0+1和0+1,就這么簡單的一個公式,就限制了一個未知的量子態不能夠被克隆。那就剛剛講到,我首先有人竊聽,我能夠發現,而他又不能對它進行克隆,所以當我確保,當吳老師拿到了唯一的鑰匙之后,接下來我就很簡單,我把我的箱子,隨便一種方式,快遞也好,怎么也好,交給吳老師,他拿到打開,就能夠得到這么一個信息,這個就是量子保密通信的一個方式。

                                  量子保密通信網絡

                                  那么這個方式到底有多安全呢?我可以告訴大家,只要因果性成立,什么意思呢,只要信息的傳遞,不超過光速,時間不可反演,比如我們回不到過去,那么這個通信的方式,就是無條件安全的,而建立量子保密通信,一個最終極的目標就是,建立覆蓋全國甚至覆蓋全球的廣域的量子保密通訊網絡。目前世界上,一個比較公認的路線圖,就是先利用光纖在城市內,構建一個網絡,然后利用中繼連接城市間,在超遠距離,我們通過衛星的中轉,來實現遠距離的量子通訊。

                                  我和我的同事們,正在沿著這條路線在努力著,我們先后在合肥、北京、濟南,實現了城市內的量子通訊網絡。目前我們正在構建一個工程就是,北京到上海的京滬干線,這么一個干線不像平時大家所說的那個,五小時就到上海的高速鐵路,我們想提供的是這么一種服務,我們希望能夠在這條主干線上面,任意兩點之間都能傳遞保密的信息。

                                  那么在更遠的地方,比如我們的國家西部或西北部,或者說可能再遠,比如我們國家的大使館,還是涉及到各種情況,光纖沒有那么容易鋪過去,那怎么辦?我們可以通過衛星來中轉。我們中科院的量子衛星,已經轉入到最后一個階段了,正在建新的階段,預計在2016年發射。而我們想要構建這么一個新地的量子通訊信道,通過衛星的中轉能夠實現超遠距離的通信,同時這顆衛星會連上我剛剛講的京滬干線,京滬干線也是在2016年交付。

                                  我們希望未來形成這么一個,天地一體化的量子保密通信網絡,再進一步再擴展到更大的范圍內。希望在不久的將來,能夠形成全國范圍內的,乃至可能全球的量子保密通訊網絡。到那個時候,我希望給大家提供一個比如說,網銀、ATM取款,更為安全的一個環境。那么從國家層面而言,也能夠更安全,類似于斯諾登這樣的泄密的情況就會逐漸的杜絕。我們這個也不是憑空地想像,我們有足夠的技術和經驗。

                                  通訊技術的探索和發展

                                  回顧一下因特網的發展史,在上個世紀70年代初,因特網只是在美國國家安全部門支持下得幾個實驗室里建的幾個網絡。而到70年代末,大學的實驗室都紛紛仿效,建立了這樣的局域網,一直到1988年美國自然科學基金委成立了一個NSF

                                  NET的項目,開始構建橫跨東西海岸的骨干網。從那個之后,每年15%的速度增長,一直到1995年,基本上覆蓋了全美國,而那個時候自然基金委就退出了舞臺,由私營企業來接管了這個的運行。我們量子保密通信,當然就是說發展的會快一些,但畢竟是在成功經驗的基礎上,所以現在我們已經進入到了在建骨干網的階段,希望在10到15年能夠構建到一個覆蓋全國的量子保密通訊網絡。

                                  隨著我們對量子不停的研究,可以說未來一切都有可能。比如說,從北京到上海不再需要坐高鐵,也不再需要坐飛機,只需要在兩地之間建立一個跟我人差不多大的糾纏,然后我對它進行一些測量,然后傳遞一些數據過去,然后嗖一下一個人就過去了。但我要強調下,這邊的人就會消失,而跑到了上海,這個也是跟量子不可克隆原理,就是說阻止了同時有兩個人出現的可能性。

                                 

                                  另外,西游記里還說到,順風耳、千里眼,我現在科技都已經實現了。比如順風耳就是手機,千里眼就是電視,可是電話就是它們的合體。而西游記里還有一個現象就是“天上一日,地下一年”,這個在我們的現代科技里也能找到相應的解釋。有這么一輛沒有終點的列車,繞著地球不停的轉,不停地加速,當它加速到每秒鐘繞地球7圈的時候,也就是無限接近光速的時候,列車上的時間會被無限之地放慢,他們人以為過去一個月的時候,列車停下,打開門發現地球的時間已經過去了三十年,來到了未來世界,真的是車上一日地上一年。

                                  對于我們來說,怎么保持這個列車的永動,怎么把列車加到光速,目前還是我們沒有辦法解決的問題,但是我們有那么一群始終堅持自己理想的科研工作者,在常人眼里,他們非常無趣,非?菰,就像生活大爆炸里面一樣,它每天的生活就是check

                                  email、做實驗、算公式,用我太太的說來說,就是一點浪漫細胞都沒有。但是就是這么一群無趣的人,用著他們最無趣的方式,在實現著一個一個科技的突破。因為他們始終堅持著一個理想,就是實現人們最五彩絢爛的夢想,做最浪漫的追夢人。謝謝大家!

                                作者:admin 來源:網絡
                                 

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