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量子通信:一场“神奇变变变” 逆天心灵感应

2016-01-14 09:10
月城清浅
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  抛弃宏观世界的一切“常识”,挣脱由传统经验构筑的枷锁,保持“脑洞大开”的状态,文科生也要“咬牙坚持”,相信我,这一次你会发现量子通信,原来如此!

  1月8日,2015年度国家自然科学奖一等奖被颁给了这样一个项目:“多光子纠缠及干涉度量”。该项目由中国科技大学潘建伟院士带队,彭承志、陈宇翱、陆朝阳、陈增兵共同完成。

  奖项颁出后,各类科普文章纷纷出炉。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,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。

  但是要真正理解这段话,并不容易。第一个问题就是,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:抛弃掉你在宏观世界所获得的一切“常识”,挣脱掉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“这怎么可能?”

  然后,开始吧。

  第一站波粒二象性——看与不看很重要

  量子,是能量的最小单位。中国科技大学近代物理教授陈宇翱说过,微观粒子都是量子,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。可以说,整个世界,都是由量子组成的。不过,由于量子太小了,对绝大多数人来说,它是“最熟悉的陌生人”。

  微观粒子,有个神奇的属性,叫作波粒二象性。

  双缝干涉实验证实了这一点。想象一下,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,屏幕上应该出现什么景象?

  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哪一条,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,光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,亮度刚好抵消掉,形成了屏幕上的“暗处”。

  但是,电子又明明白白展现出粒子的特性。当我们逐个发射电子时,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。

  为什么?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;但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?左看右看上看下看,那个女孩都不简单啊?可是在微观的粒子世界,任何一种介入,都会对测量对象产生致命干扰。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”而发生了改变——这也是鼎鼎有名的“不确定性”原理。

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