一次高冷的量子旅行,多光子纠缠及干涉度量

文章作者:Lily | 2016-05-11
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2015年度国家自然科学奖一等奖颁给了这样一个项目:“多光子纠缠及干涉度量”。简单来说,多光子纠缠及干涉度量就是根据量子物理原理提供的一种全新方式,通过对信息进行编码、存储、传输和逻辑操作,并对光子、原子等微观粒子进行精确操纵,以确保在通信安全和提升计算速度等方面可以突破经典信息技术的瓶颈。让我们进入一次高冷的量子旅行吧。

那么问题来了,量子物理原理是什么?在推开神奇量子世界的大门前,你需要轻装上阵:抛弃在宏观世界所获得的一切常识,挣脱那些由传统经验构筑的枷锁,保持脑洞大开的状态,并随时准备接受各种不可能……

第一站:波粒二象性

量子是能量的最小单位。我们在初中化学书上接触过的原子、电子和光子,均属量子大家庭。微观粒子有个神奇的属性,叫波粒二象性。双缝干涉实验证实了这一点。

假设你手中有一台电子发射器,面前摆着一个开了两条缝隙的隔板,隔板后放置了一块屏幕。当你打出的电子足够多,屏幕上会出现什么现象?

如果电子是粒子,那么屏幕上应该出现两条条纹——电子随机选择穿过两条缝隙中的一条,并在屏幕上留下痕迹。然而,现实情况却是,屏幕上留下了明暗相间的多条干涉条纹。研究这些条纹的分布后人们惊讶地发现,电子似乎在穿过缝隙时具有某种“波”的特性。也就是说,它并非在两条缝隙中选择了一条穿过,而是以“波”的形式同时穿过了两条缝隙,并且自己与自己发生了干涉——如果一条波的波峰恰好遇到另一条波的波谷,亮度刚好抵消,形成了屏幕上的“暗处”。

但是,电子又的确展现出粒子的特性。逐个发射电子时,你就会发现,电子穿过隔板缝隙后,会在感应屏上的某个位置打出一个亮点。只是它的分布符合干涉条纹的分布规律:落在亮区的概率高,落在暗区的概率低。

对此科学家给出了一个大胆的解释:在撞上感应屏之前,无人干扰,电子确实以波的方式穿过了两道狭缝。然而一旦它撞上了感应屏,波函数立刻坍缩成为一个点。

感应屏在这里扮演了“观测者”的角色,换个说法——电子呈现出什么状态,取决于观测。

观测很重要吗?答案是肯定的。在微观粒子世界,任何一种介入都会对测量对象产生致命干扰。也就是说,你永远无法得到一个粒子的全部信息——当你知道了它的位置,它的速度也因为你的“知道”而发生改变——这便是鼎鼎有名的“不确定性”原理。

第二站:量子纠缠

经过了第一站,量子纠缠的概念就该登场了:相互独立的粒子可以完全“纠缠”在一起,对其中一个粒子进行观测可以即时影响到其他粒子,无论它们之间的距离有多远。

想象现在有一个大粒子衰变成了两个小粒子,它们俩关系不和,朝着相反的方向飞去。假设这种粒子有两种可能的自旋——“左旋”和“右旋”,根据总体守恒,如果粒子A为左旋,那么B一定为右旋;反之亦然。

可是,在我们没有对A和B进行观测之前,它们的状态都是不确定的,每个粒子都处于一种左或右可能性的叠加态。一旦我们观测粒子A,它的波函数瞬间坍缩,并随机选择了一种状态——比如“左旋”;此时,尽管已经和A相距遥远,粒子B的状态也就瞬间确定了(即“右旋”)。

就算这两个粒子分别处于宇宙的两端,它们同样可以保持这种“默契”——一旦你随机选择了左,那我一定会选择右。任何所谓的心灵感应,都比不上“量子纠缠”来得深刻。

第三站:量子通信

接下来要进入“核心景点”了——如果要在两个处于纠缠态的粒子之间通信呢?

此时,我们制备出了处于量子纠缠状态的光子α和光子β,并且把α给了身在北京的甲,把β给了身在上海的乙,要传递的东西是光子γ。

首先,让光子α和光子γ产生干涉,并记录干涉结果。然后,甲需要用打电话、传电子邮件等传统通信方式告诉乙这一结果。拿到结果之后,乙会操作一种叫作波片的东西,把β变成γ。

这是什么意思?可以这么理解:α和β处于纠缠态,所以当α和γ发生干涉时,γ和β也就自动具有某种关系了。甲告诉乙α和γ的干涉结果,其实是告诉乙,β和γ应该具有怎样的关系。于是乙通过“反推”,就能将β变成γ。

在这场通信中,量子隐形传态并没有真正传递出去什么东西,α和β都是为了主角γ而牺牲的“炮灰”。最终目的让β成为γ,让乙获得有关γ的一些信息。

第四站:量子密钥分配

率先走进量子通信技术实用化大门的,叫量子保密通信。它与传统通信最为不同的地方在于是用量子的方式传送密钥。

一直以来,信息科学领域有信息安全的瓶颈:用芯片可能有后门,用光纤可能遭到无感窃听,就算把信息进行加密,也有人能破解。不过,如果用量子的方式传送密码,就不存在这些问题了。

量子密钥分配是把一个信息编码在一个光子上,一个光子有着不同的量子态,代表0和1。把光子通过光纤发射出去,接收方接到密钥后进行解码。

由于一个量子的状态是未知的,根据“不确定性原理”,我们无法获得一个量子所有的状态信息,因此,量子也无法被准确测量和精确复制。而量子不可能继续分割,窃听者也就不可能把它分成两半,一半拿走,一半传给运输方。更绝妙的是,在这一传输过程中,一旦有人窃听,微小的光子立刻就能做出反应——因为在量子尺度上,窃听者的存在感实在太强了!

所以,量子保密通信的安全性能得到极大保证。如今,量子保密通信甚至被资本市场称为“下一个万亿蓝海”。

现在,我们已经在量子通信世界游览了四个“景点”,鉴于脑细胞死伤无数,这段旅程也该告一段落。下次再进入量子通信的世界,看点将越来越多。

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