国家自然科学一等奖的“见量子纠缠”到底杏彩是个啥?

导读:国家自然科学一等奖的“量子纠缠”到底是个啥?章来源:科通社赛先生张文卓 (中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院副研究员)近日,潘建伟院士...

国家自然科学一等奖的“量子纠缠”到底是个啥?

章来源:科通社赛先生

张文卓 (中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心、中国科学技术大学上海研究院副研究员)

近日,潘建伟院士带领的中国科学技术大学团队的“多光子纠缠和干涉度量学”获得了 2015 年度国家自然科学一等奖,是中国自然科学领域的最高奖项。该团队也打破了国家自然科学一等奖历史上最年轻团队的记录。五位完成人按获奖顺序依次为潘建伟院士、彭承志教授、陈宇翱教授、陆朝阳教授、陈增兵教授。其中潘建伟、彭承志、陈增兵三位为“70 后”,陈宇翱和陆朝阳为“80 后”。

与以往的很多国家自然科学一等奖相比,该团队在顶级论文数量和国际影响力上都更为出类拔萃,其成果 3 次入选美国物理学会(American Physical Society)评选的“年度物理学重大事件”(The Top Physics Stories of the year),2 次入选英国物理学会(Institute of Physics)评选的“年度物理学重大进展”(Highlights of the year),最近被英国物理学会的 Physics world 网站评选为 2015 世界物理学十大进展第一名(Breakthrough of the Year)。

这次潘建伟院士团队获奖的项目名称为“多光子纠缠和干涉度量学”,细心的朋友会发现这就是潘建伟院士 2012 年在《现代物理评论》(Review of Modern Physics)杂志上发表的论文“Multiphoton entanglement and interferometry”的译名[1]。《现代物理评论》为物理学领域最顶级的综述杂志,仅向各个领域世界知名的物理学家约稿来介绍该领域最新进展。潘院士这篇综述也是中国科学家发表在该刊物的第一篇实验论文。

在量子通信和量子计算等多个方向上,潘建伟团队都取得了世界领先的科研成果,而“多光子纠缠和干涉度量学”作为核心研究内容之一,贯穿始终。“多光子纠缠”顾名思义就是让多个光子产生纠缠。这是利用光子做量子隐形传态和量子计算的必要前提。

量子力学中“纠缠”指的是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例,一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态,可以用一个量子比特来表示:

ΦA=a0>A+b1>A ,

另一个粒子B也处于叠加态:

ΦB=c0>B+d1>B 。

当两个粒子发生纠缠,就会形成一个双粒子的叠加态,例如:

ΦAB=ad0>A1>B+bc1>A0>B

就是一个纠缠态:当A粒子处于 0 态时,B粒子一定处于 1 态;反之,当A粒子处于 1 态时,B粒子一定处于 0 态。

(图片来源:NATURE)(图片来源:NATURE)

在没有外界干扰的情况下,无论两个粒子相隔多远,纠缠态都可以存在,因此量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance),并以此来质疑量子力学的完备性(因为违反了他提出的“定域性”原理)。但是后来一次次实验都证实量子力学是对的,非定域的量子纠缠可以存在,定域性原理必须舍弃。

随着量子信息学的诞生,量子纠缠成为了量子通信和量子计算的核心。最新的研究表明,微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律,甚至是时间之箭的起源都有着密不可分

的关系。

针对量子信息处理尤其是光量子计算的需求,纠缠的光子数自然是越多越好。在实验上,光子纠缠需要对光子源产生的光子通过各种光学干涉的方法来获取,这就是“多光子纠缠”和“多光子干涉度量学”成为一个整体课题的原因。产生纠缠的光子数越多,干涉和测量的系统也就越复杂,实验难度也就越大。

如图1,一个紫外光脉冲照射 BBO 晶体可以有一定概率产生一对光子(o和e),通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,o光子和e光子都可以形成水平偏振H和竖直偏振V的叠加态,于是o光子和e光子就形成了一个纠缠态 HH>+VV>(即o光子是H偏振时,e光子一定也是H偏振,反之o光子是V偏振时,e光子一定也是V偏振)。

图 1 双光子干涉和纠缠产生的光路示意图图 1 双光子干涉和纠缠产生的光路示意图

把双光子干涉产生纠缠的方法层层累加,扩展到更多的光子,就可以形成更多光子的纠缠。潘建伟团队从 2004 年开始,一直保持着纠缠光子数的世界纪录。2004 年在世界上第一个实现了 5 光子纠缠,2007 年在世界上第一个实现了 6 光子纠缠,2012 年在世界上第一个实现了 8 光子纠缠,并且保持该记录至今。

图 2 是实现 8 光子纠缠的光路简图。由于光子产生和光学干涉测量的概率都是随着光子数指数上升,所以每增加一个纠缠光子,光学干涉系统就要复杂一倍,纠缠的产生难度也会随着光子数指数上升。该团队通过一个个在国际上原创的多光子干涉测量技术,经过不懈努力克服各种实验困难,才能够多次打破自己保持的世界记录,并将记录定格为 8 个。

该团队以多光子纠缠技术为基础,在自由空间量子通信领域实现了世界首个百公里级的量子纠缠分发和量子隐形传态,在量子计算领域实现了世界上首个光量子 Shor 算法和拓扑量子纠错。

图 2 潘建伟团队实现 8 光子纠缠的光路示意图图 2 潘建伟团队实现 8 光子纠缠的光路示意图

“多光子纠缠和干涉度量学”获得国家自然科学一等奖实至名归,但这仅仅是潘建伟院士团队的一部分工作。

2016 年,该团队承担研制的世界首颗“量子科学实验卫星”将发射升空,将实现世界首个星地间的量子保密通信和量子隐形传态。同时,源于该团队技术的世界首个量子保密通信主干网络“京沪干线”也即将建成。

在量子计算领域,该团队和阿里巴巴合作成立了“中科院-阿里巴巴量子计算联合实验室”,在保持光量子计算世界领先地位的同时,将大力推动我国量子计算整体研究水平。有理由期待潘建伟院士的团队在未来会带给中国和全世界更多的惊喜。

如果你还是没懂什么是量子?什么是量子纠缠?量子技术对我们的生活带来了什么样的福音?分身术、隐形传输还将是遥远的神话么?下面听听潘建伟院士团队成员,也是潘建伟的高徒——国际年轻量子科学家陈宇翱怎么说。

以下为文字实录:

今天,我的题目是《追梦量子世界》。

说到量子,大家可能既熟悉又陌生,什么是量子?举个例子,我手上这支遥控器,它就是个神奇的量子笔。我们按一下翻页,大家可以猜一猜在这一瞬间有多少个量子发射出去了?我可以告诉大家的是,我在按下翻页的瞬间,有上万亿个量子发射出去了,它是不是很厉害。

为什么这么厉害?请允许我给大家介绍下量子的概念。量子它是一个能量的最小单位,所有的微观粒子包括分子、原子、电子、光子,它们都是量子的一种表现形态。我们知道这个世界本身都是由微观粒子组成的。所以,某种意义而言,我们这个世界就是由量子组成的。我手上这支笔,在座的大家,包括我自己都是 24K 纯量子产品。

大家呼一口气都是上万亿量子的进出,所以大家都是分分钟几十亿上下的人才。这么说来,量子它并不神秘,也没什么高深的,但是对量子研究,在过去的一百年已经成为现代科技的支柱,发展出了诸如激光、核磁共振、高温超导、巨磁阻,这些跟我们生活都息息相关的一些科技进展,而且可以想象,也可以相信未来会给我们带来更多的进展。

什么是量子叠加原理和量子纠缠?

说到量子世界,其实有两个最基本的原理,就是量子叠加原理,而另外一个其实是由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。

首先我给大家介绍下量子叠加原理。什么是量子叠加原理?举个例子来说,《西游记》我想大家都看过吧!就算没有看过原著,电视剧三十年如一日的重播,肯定也会看过,我从小也非常希望有孙悟空的一个能力,就是它的分身术,一个分身留在这里听老师训话上课,另外一个分身就跑出去捣蛋。那么在量子的世界里,量子就是孙悟空,它也有分身术,但是跟孙悟空的分身术不一样的地方在于,在量子的世界里量子的分身术不能被人看到,一旦有人去看它,它的分身就会随机地消失,而最后只留下一个。

假设你在 ABC 三个地方有三个分身,如果有人不管在那个地方去看它,它有可能 AB 的分身消失,也有可能是 BC,也有可能是 AC,随机的消失一个,而只留下一个分身,这个就是跟孙悟空分身术不一样的地方。这个事情本身可以通过一个双缝实验来验证。有这么两个一模一样的狭缝,我们有一杆枪不停地发出电子,那么电子会同时穿过这两个狭缝,而在背后留下一个相应的干涉条纹。但如果我们有一个装置可以去看,这个电子是从哪个狭缝过的时候,你就会发现,每一次它只从其中一个过,而在后面留下两条杠。没有观测的时候,它是同时穿过;有观测的时候,它只从一个地方穿过,两种状态并行,这个就是量子叠加原理。

再举一个形象的例子,假设我就是一个量子,我下班回家有两条路,一个是鲜花市场,一个是海鲜市场,每天我下班回家,我开着自己的车,相当于我对自己进行个测量。那么,我就很清楚,我是从哪条路回家的。回到家里,我太太也很清楚因为她闻一下我就知道,如果我是从鲜花市场,那么我身上都是香的;如果我身上全是鱼腥味,那么就知道,我是从海鲜市场。但有天我非常累,我就打了个车回家,回到家以后,我太太问我说,今天你是从哪条路回来的呀?我说不好意思,刚刚路上睡着了,我也不知道从哪条路上回来的。你闻下我身上看看。她闻了一下发现好奇怪,怎么你身上一半是香的,一半是臭的,就好像我从两条路同时过来了一样,那么,这个就是量子的叠加原理。当有人对它进行测量,它就只有一种状态,如果没有人对它测量的话,它是多种状态并存。当然,在现实生活中,更大的可能,我是被那个出租车司机给坑了。这个是量子叠加原理。

如果把量子叠加原理合到多个量子的情况会是什么呢?那就是一个爱因斯坦称之为遥远距离诡异的相互作用的一个量子纠缠,它就像双胞胎心灵感应一样,这两颗骰子无论相距多远,掷出来的结果始终是一样的。那么用刚刚那个量子分身的概念来讲,就是说,比如说我和你纠缠在一起,每个人都有两个分身在北京和上海,如果有人对我进行了测量,那么我们知道有个分身会消失,那么你的分身会怎么样呢?我可以告诉大家的是,你的分身也会消失。比如我上海的分身消失了,只留下北京的分身,那我就知道,而且必然会发生的事情,就是你在上海的分身也会消失,只留下北京的分身,这就是量子纠缠。

有了量子纠缠,量子隐形传输的概念也就呼之欲出。如果我们想把北京的量子传送到上海,那怎么办呢?我现在北京和上海之间建立这样的纠缠,然后我通过对两地的粒子,做一些特殊的操作,那么在北京的量子就会消失出现在上海。

有了量子叠加原理和量子纠缠,那么我们到底有些什么用呢?首先一个应用就是计算机的一个飞跃,因为我们知道,我们经典的计算机中,它只有 0 和1,每个比特都是这两种状态,但在我们的量子中可以处在 0 和 1 的叠加状上,那么这样我一旦操纵的量子数目增多,它就会以指数增长的形式来提升它的运算速度,有这么个并行运算的能力。举个例子来说,我们如果分解 300 位的大数分解,用经典的计算机,它需要 15 万年,那我有个量子计算机,它只要一秒钟就可以算出来。当我们操纵 25 个量子的时候,我们的计算机能力已经达到了现有的计算机四核计算能力,而当我们能操纵 50 个量子的时候,现在世界上最快的计算机——天河二号,它的计算能力已经赶不上了。当然量子计算还比较遥远,虽然说未来它会给我们带来很多的应用,比如说天气预报、石油勘探等等等等。

量子保密通讯

而目前来看,量子分身术,一个更为直接的应用,就是量子保密通讯,我们传统的世界里,我认为,最安全的一个信息传递方式,就是通过光缆,因为它把所有的光的能力,都限制在光纤里面,外面得不到能量,所以认为这个传输是安全的。而如果把光缆沉到几千米的海底,那就更安全了。但是随着科技的发展,现在已经有这么一个装置,我只要把这个光缆往这个装置上盘一盘,就能够让它有很小很小的一部分能力泄露出来。而我们现在科技发展了,这么一份能量,可以对他进行了完全的探测,就是这么一部分的能量探测,我就对于你这个光缆里传递的信号,对它来说完全就是透明的了,可以完全独处你在光缆里面传递的信息。这样一来,对我们个人而言,对国家而言,就完全没有,还有什么安全可言。

幸运的是,量子保密通信提供了一个这样的一个传递方式。比如说,如果我想把一个小秘密,传送给吴老师,那么首先我怎么办呢?我先给它传一把钥匙,再给它传一个箱子,那个箱子是用一把锁锁起来了的,吴老师有这把钥匙,就可以把箱子打开,读到里面的内容,那我是用量子的方式来传这个钥匙,大家知道我刚刚讲到,就是说量子它有很多的分身,所以呢,如果有人想截获这把钥匙,是不是能得到这个秘密呢?是不可能,为什么?因为他一旦对钥匙进行了测量,我们知道,其他的分身就会消失了。所以,我们一看就知道有人在窃听,那我们就把这把钥匙废掉,我再给吴老师一把。那有人提到说既然你都截获了,你为什么不复制一把钥匙呢?就是说你复制一把钥匙,再把钥匙交给吴老师,吴老师以为没人窃听,那就是说我再把箱子传过去的时候,它就可以把它打开。

量子不可克隆原理

说到这个我就要提一个也是量子叠加原理保证的一个非常简单,但是非常美的一个定理,叫做量子不可克隆原理。我们知道再经典里面,我们有复印机、一张白纸、一封信,再一扫描,就可以复印出两个来,我们在量子世界里面,假设有这么一个克隆机,可以对量子进行克隆,那我们知道 0 就变成两个0,而 1 就变成 11,那在做的小朋友可能比在座的更小的小朋友们都可以算出来,如果我输入了一个0+1 的叠加态,那它就应该不是,00+11 这样的一个纠缠的形式。

而我们知道,我们作为一个克隆机,我所想要的是0+1 和0+1,就这么简单的一个公式,就限制了一个未知的量子态不能够被克隆。那就刚刚讲到,我首先有人窃听,我能够发现,而他又不能对它进行克隆,所以当我确保,当吴老师拿到了唯一的钥匙之后,接下来我就很简单,我把我的箱子,随便一种方式,快递也好,怎么也好,交给吴老师,他拿到打开,就能够得到这么一个信息,这个就是量子保密通信的一个方式。

量子保密通信网络

那么这个方式到底有多安全呢?我可以告诉大家,只要因果性成立,什么意思呢,只要信息的传递,不超过光速,时间不可反演,比如我们回不到过去,那么这个通信的方式,就是无条件安全的,而建立量子保密通信,一个最终极的目标就是,建立覆盖全国甚至覆盖全球的广域的量子保密通讯网络。目前世界上,一个比较公认的路线图,就是先利用光纤在城市内,构建一个网络,然后利用中继连接城市间,在超远距离,我们通过卫星的中转,来实现远距离的量子通讯。

我和我的同事们,正在沿着这条路线在努力着,我们先后在合肥、北京、济南,实现了城市内的量子通讯网络。目前我们正在构建一个工程就是,北京到上海的京沪干线,这么一个干线不像平时大家所说的那个,五小时就到上海的高速铁路,我们想提供的是这么一种服务,我们希望能够在这条主干线上面,任意两点之间都能传递保密的信息。

那么在更远的地方,比如我们的国家西部或西北部,或者说可能再远,比如我们国家的大使馆,还是涉及到各种情况,光纤没有那么容易铺过去,那怎么办?我们可以通过卫星来中转。我们中科院的量子卫星,已经转入到最后一个阶段了,正在建新的阶段,预计在 2016 年发射。而我们想要构建这么一个新地的量子通讯信道,通过卫星的中转能够实现超远距离的通信,同时这颗卫星会连上我刚刚讲的京沪干线,京沪干线也是在 2016 年交付。

我们希望未来形成这么一个,天地一体化的量子保密通信网络,再进一步再扩展到更大的范围内。希望在不久的将来,能够形成全国范围内的,乃至可能全球的量子保密通讯网络。到那个时候,我希望给大家提供一个比如说,网银、ATM 取款,更为安全的一个环境。那么从国家层面而言,也能够更安全,类似于斯诺登这样的泄密的情况就会逐渐的杜绝。我们这个也不是凭空地想像,我们有足够的技术和经验。

通讯技术的探索和发展

回顾一下因特网的发展史,在上个世纪 70 年代初,因特网只是在美国国家安全部门支持下得几个实验室里建的几个网络。而到 70 年代末,大学的实验室都纷纷仿效,建立了这样的局域网,一直到 1988 年美国自然科学基金委成立了一个 NSFNET 的项目,开始构建横跨东西海岸的骨干网。从那个之后,每年 15% 的速度增长,一直到 1995 年,基本上覆盖了全美国,而那个时候自然基金委就退出了舞台,由私营企业来接管了这个的运行。我们量子保密通信,当然就是说发展的会快一些,但毕竟是在成功经验的基础上,所以现在我们已经进入到了在建骨干网的阶段,希望在 10 到 15 年能够构建到一个覆盖全国的量子保密通讯网络。

随着我们对量子不停的研究,可以说未来一切都有可能。比如说,从北京到上海不再需要坐高铁,也不再需要坐飞机,只需要在两地之间建立一个跟我人差不多大的纠缠,然后我对它进行一些测量,然后传递一些数据过去,然后嗖一下一个人就过去了。但我要强调下,这边的人就会消失,而跑到了上海,这个也是跟量子不可克隆原理,就是说阻止了同时有两个人出现的可能性。

另外,西游记里还说到,顺风耳、千里眼,我现在科技都已经实现了。比如顺风耳就是手机,千里眼就是电视,可是电话就是它们的合体。而西游记里还有一个现象就是“天上一日,地下一年”,这个在我们的现代科技里也能找到相应的解释。有这么一辆没有终点的列车,绕着地球不停的转,不停地加速,当它加速到每秒钟绕地球 7 圈的时候,也就是无限接近光速的时候,列车上的时间会被无限之地放慢,他们人以为过去一个月的时候,列车停下,打开门发现地球的时间已经过去了三十年,来到了未来世界,真的是车上一日地上一年。

对于我们来说,怎么保持这个列车的永动,怎么把列车加到光速,目前还是我们没有办法解决的问题,但是我们有那么一群始终坚持自己理想的科研工作者,在常人眼里,他们非常无趣,非常枯燥,就像生活大爆炸里面一样,它每天的生活就是 checkemail、做实验、算公式,用我太太的说来说,就是一点浪漫细胞都没有。但是就是这么一群无趣的人,用着他们最无趣的方式,在实现着一个一个科技的突破。因为他们始终坚持着一个理想,就是实现人们最五彩绚烂的梦想,做最浪漫的追梦人。谢谢大家!

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