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量子纠缠,刷新世界观远超光速的“传输”,能实现量子通信?

爱因斯坦曾提出,任何信息传递的速度都无法超过光速,实际上是这样吗?与量子纠缠相比呢?

量子纠缠(quantum entanglement),是一种量子力学现象。

量子纠缠由1935年由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的一种波。它们是两个子系统的整体,如果用X1,X2分别代表了两个粒子的坐标,量子纠缠是粒子在由两个或两个以上 粒子 组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分开。

量子纠缠说明在两个或两个以上的稳定粒子间,会有强的量子关联。量子传递不受距离的限制,即便X1、X2两个粒子分隔在直径达1000万光年的银河系两端,一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。

爱因斯坦将量子纠缠称为"鬼魅似的远距作用(神鬼级的远距离相互操作作用)

量子纠缠的作用速度比光速还快。量子纠缠的作用速度被认为至少比光速快10,000倍。测量的效应具有瞬时性质。

量子力学的提出

1952年,玻姆在《物理学评论》提出了量子力学的隐变量解释。玻姆认为,在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的,只是这条轨迹不仅由通常的力来决定,而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生,它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动,正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。

而爱因斯坦却认为这种能左右量子运动的环境并不存在。

根据量子力学的“不确定性原理”,处于纠缠态的两个粒子,在被“观测”之前,其状态是“不确定”的,如果对其中的一个粒子进行观测,在确定了这个粒子状态的同时,另外的一个粒子的状态瞬间也会被确定)。这种鬼魅一般的“传递”作用不但有违常理,也“违背”了爱因斯坦的相对论,但这偏偏又是无可辩驳的事实。爱因斯坦据此认为量子力学仍然存在缺陷,是不完备的。

波尔认为量子纠缠之现象并不违背相对论,在量子力学的层面上,在测量粒子前,你不能定义它们,实际上它们仍是一个整体。不过在测量它们之后,它们就会脱离量子纠缠的状态。

朴素的解释可理解成:量子力学应该是承载信息的状态。一大一小的橘子被装到两个箱子里头,分别送到银河系里的两个星球上,当未打开箱子时,并不知道各自星球的箱子上,装的是什么橘子。而当其中一个箱子开封了之后,该橘子得到确认了,另一个箱子哪怕遥远在外星球,它的状态也会得到公示。

我国明代的思想家王阳明有句名言:“你未看此花时,此花与汝同寂,你来看此花时,此花颜色一时明白起来 。”这句话长期被当成唯心主义言论而被批判,现在看来,这简直就是量子力学解释的翻版。

关于量子力学之研究

1993年,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。

1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。

这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。

多光子纠缠态的制备和操控一直是量子信息领域的研究重点。世界上普遍利用晶体中的非线性过程来产生多光子纠缠态,其难度会随着光子数目的增加而指数增大。

2000年,美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态。

2004年,合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员,在国际上首次成功实现五光子纠缠的操纵。

2005年底,这一记录再次被打破。美国国家标准局和奥地利因斯布鲁克小组分别宣布和八个离子的纠缠态。

2009年9月,潘建伟的科研团队在3节点链状光量子电话网的基础上,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队,于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

2011年11月22日,中科院量子信息重点实验室李传锋、黄运锋研究组在郭光灿院士的领导下,成功制备出八光子纠缠态--GHZ态,通过纠缠态完成了八端口量子通信复杂性实验展示量子通信抗干扰能力强、传播速度快的优越性。该研究工作见于《自然·通讯》上。

依据建立在“不确定性原理”基础上的“量子纠缠”,科学家们提出了“量子通信”的设想,按照不确定性的原理,这种传输信息的方式从根本上杜绝了被破译的可能,即使信息被截取,其“不确定性”使得破译者根本无从下手。

在贝内特提出量子通信概念以后,6位来自不同国家的科学家,基于量子纠缠理论,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案,即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处,这就是量子通信最初的基本方案。

2017年6月15日,《科学》杂志以封面论文形式,报道了中国"墨子号"量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息,相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录,这次跨越意味着绝对安全的量子通信离实用又近了一步。

在高损耗的地面成功传输100公里,意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上,基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。以量子通讯卫星核心技术的突破,也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。

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