10月4日,2022年諾貝爾物理學(xué)獎公布。獎項頒發(fā)給了法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格,以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻。
消息一出,“量子糾纏”一度登上了熱搜首位。隨即,我們看到艱深的物理話題引發(fā)熱烈討論。媒體想了千奇百怪的比喻來科普量子糾纏多么奇妙;段子手們說諾貝爾也“遇事不決量子力學(xué)”;各路高人感嘆科學(xué)的盡頭是玄學(xué),并對人生、宇宙、未來發(fā)出長篇大論的感慨。
這些內(nèi)容看多了之后,似乎我們會有這樣一個感覺:諾貝爾物理學(xué)獎,是頒給了某項特別神秘、宏大、不可思議的發(fā)現(xiàn)。量子糾纏的下一步,就是時空穿越、心靈感應(yīng)、四維空間。
被神秘和遙遠吸引,是人類的本性。但大家在暢想量子糾纏的“詩與遠方”時,可能忽略了另一個問題:這次諾貝爾獎的三位得主,并不是量子糾纏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者,甚至他們的工作領(lǐng)域并不是理論物理。
與量子糾纏這個概念所帶有的神秘與超現(xiàn)實氛圍不同,三位諾獎得主的主要工作方向是務(wù)實、嚴謹?shù)膶嶒炍锢?。也就是在?shù)十年間一次次的實驗中,人類對量子糾纏的認知,有了緩慢但真實的推進,量子信息科學(xué)這樣一個全新應(yīng)用方向才得以打開。
祛魅,是指科學(xué)知識中神秘性、神圣性和魅惑力的消解。這個詞用來形容人類對量子糾纏的認知歷史非常合適。在聽多了量子糾纏有多么神奇、多么偉大之后,我們不妨從另一個簡樸至極的角度——做實驗,來重新回溯這段歷史。
這段歷史講的不是科學(xué)的盡頭是玄學(xué),而是科學(xué)終將解釋更多,是實驗精神終將勝利。
爭論起源:微觀世界與EPR佯謬
今天我們隨處能看到很多關(guān)于量子世界、時間與空間的高談闊論。但這其實并不新鮮,100年前大體也是如此。早在19世紀末,伴隨著經(jīng)典物理學(xué)得到了極大發(fā)展,無論是學(xué)界還是社會輿論,都開始將目光望向微觀系統(tǒng)。20世紀初,量子力學(xué)的理論解釋工作開始推動。伴隨著來自全球的關(guān)注,這個領(lǐng)域的爭議與討論也開始豐富了起來。
量子糾纏的概念爭議,就來自被稱為世紀之爭的量子物理辯論。所謂量子糾纏,是一種微觀世界中奇特的量子力學(xué)現(xiàn)象。處于糾纏狀態(tài)的兩個量子,不論相隔多遠都會存在某種關(guān)聯(lián)性。這個顯然違反經(jīng)典物理學(xué)的設(shè)想,其實是來自一種悖論假說。
1935年,正在與玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派的愛因斯坦,聯(lián)合了羅森、波多爾斯基共同發(fā)表了論文《物理實在的量子力學(xué)描述能否被認為是完備的?》。后人以三人名字的首字母命名其為“EPR”論文。文章中,愛因斯坦質(zhì)疑了玻爾等人提出的量子力學(xué)設(shè)想,認為一個粒子只能在局部擁有其所有特性并決定所有測量結(jié)果。如果量子系統(tǒng)真的具有強關(guān)聯(lián)態(tài),那么這種管理關(guān)系要么會以超光速發(fā)生,但這顯然違背了相對論;要么當時的量子力學(xué)設(shè)想具有某種不完備性,缺少前置條件。這個悖論被稱為“EPR佯謬”。
由于EPR佯謬是以思想實驗的方式提出的。于是玻爾在進行回擊時,也主要抓住了思想實驗的實驗條件不充分、觀測手段與觀察方法有謬誤等方向進行。這里我們無意也沒有能力對物理學(xué)命題進行深入探討。但可以發(fā)現(xiàn)的是,最初對量子糾纏是否為悖論的討論,就集中在實驗是否可行,以及實驗的前提條件、觀測手段等等。量子力學(xué)的世紀論戰(zhàn),并不是很多人想象的華山論劍,珍瓏棋局,而是發(fā)起于實驗,聚焦于實驗條件是否成立,實驗結(jié)果是否可信任,實驗過程是否可重復(fù)。
“做個實驗”——也成為接下來數(shù)十年量子糾纏探索的真正主題。
實驗檢索:光子糾纏與證偽貝爾不等式
為了在實驗中探索量子糾纏是否可行,物理學(xué)界需要兩項最重要的基礎(chǔ):實驗介質(zhì)與實驗標準。
在用什么可以證明量子糾纏這一點上,物理學(xué)家約翰·惠勒在1946年找到了辦法:用光。
光是一種具有振動方向的波動傳導(dǎo)。自然界的光往往是光線隨機混合在一起的,但如果通過某種實驗手段,讓光的振動方向被限制,成為只沿著一種方向振動的偏振光,就可以對光的振動進行觀測。光子糾纏易操作,易觀察,實驗結(jié)果受其他因素干擾較少,成了此后對量子糾纏效應(yīng)的主要實驗手段。約翰·惠勒認為,按照量子力學(xué)的理論框架,正負電子對湮滅后生成的一對光子應(yīng)該具有不同的偏振方向。1950年,著名華裔女科學(xué)家吳健雄宣布成功實現(xiàn)了光子糾纏實驗,生成了歷史上第一對偏振方向相反的糾纏光子。從那時起,關(guān)于量子糾纏的實驗探索正式啟動,到如今已經(jīng)經(jīng)歷了70年歲月。
有了實驗方法,下一個問題是實驗標準。究竟如何確定量子糾纏效應(yīng)是否真的能夠跨越距離限制?這里就要提到1964年英國物理學(xué)家約翰·貝爾提出了以他名字命名的數(shù)學(xué)不等式——貝爾不等式。貝爾提出,如果存在隱藏變量,大量測量結(jié)果之間的相關(guān)性將永遠不會超過某個值。如何量子糾纏的真實情況符合量子力學(xué)的理論預(yù)測,那么實驗結(jié)果將違反貝爾不等式,從而導(dǎo)致超過不等式預(yù)設(shè),粒子之間展現(xiàn)出更強的相關(guān)性。
從這里開始,2022年物理諾貝爾獎得主們走到了舞臺中央。
1972年,約翰·克勞澤發(fā)展了貝爾不等式的想法,進行了實際的量子糾纏實驗。實驗通過一次發(fā)射兩個糾纏光子,每個光子射向檢測偏振的濾光片,以此來觀察產(chǎn)生的光子糾纏情況。而實驗結(jié)果違反了貝爾不等式,與量子糾纏的設(shè)想一致。
但在當時,這種實驗引發(fā)了很多質(zhì)疑,甚至被指出了很多漏洞。比如實驗在制備和捕獲粒子方面效率太低、測量方式存在問題、糾纏粒子之間距離太小等等,其結(jié)果并不具備說服力。盡管面對著諸多挑戰(zhàn),但克勞澤教授一直堅持著光子糾纏的實驗方向,并進行了源源不斷地實驗改進,最終證明了量子糾纏的超遠距離干涉確實存在。
除了約翰·克勞澤之外,其他人也在積極探索證偽貝爾不等式的實驗。1982年,另一位諾獎得主阿蘭·阿斯佩等人改進并完善了克勞澤的實驗方法。在糾纏粒子離開發(fā)射源后,通過切換測量設(shè)置的方式來確保制備粒子的方法不會影響實驗結(jié)果。
1998年,第三位諾獎得主安東·蔡林格等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成貝爾定理實驗。通過多粒子糾纏態(tài)的實驗,徹底排除了定域性漏洞,以決定性的實驗結(jié)果證明了量子糾纏真實存在。同時,蔡林格團隊的多粒子實驗可開創(chuàng)了量子通信與密碼學(xué)的諸多可能性。1997年,其團隊完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證,為量子信息學(xué)奠定了基礎(chǔ)。2015年,安東·蔡林格團隊又完成了無漏洞的貝爾不等式實驗驗證。
在50年間,一次次的實驗跋涉,最終證明所有結(jié)果都證偽貝爾不等式,支持量子力學(xué)對微觀世界的法則設(shè)想。
至此我們才知道,量子糾纏是真實存在的。
持續(xù)探索:進入新世紀的大型實驗
有了基礎(chǔ)方法與基礎(chǔ)結(jié)論,量子糾纏的科學(xué)價值也就愈發(fā)明晰??茖W(xué)界的好奇開始由量子糾纏是否存在,轉(zhuǎn)向了我們能否控制量子糾纏,以及能否通過量子糾纏窺探充滿未知的微觀世界。這個過程中,不斷輸出的量子糾纏實驗成果,也像很多科學(xué)發(fā)展一樣“沿途下蛋”,打開了量子信息學(xué)這個應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展空間。
在這個過程中,激光的發(fā)展和應(yīng)用成了探索光子糾纏的主要路徑,這也是我們看到很多量子實驗設(shè)備都與激光緊密相連的原因。通過激光脈沖,光子糾纏現(xiàn)象可以被更精準、高效地控制和觀察。多粒子糾纏態(tài)的研究與探索成了學(xué)界主流,造價昂貴、高度精密的量子實驗設(shè)備也登上了歷史舞臺。
隨著量子糾纏實驗的價值愈發(fā)明晰,其帶來的量子信息學(xué)價值產(chǎn)出更加充沛,同時實驗成本不斷增大。量子糾纏開始成為國家科技競爭的焦點,以及科技戰(zhàn)略的重點傾斜方向。最近幾天,大量媒體都在討論中國在量子糾纏領(lǐng)域研究處于世界第一方陣,其價值與意義也在于此。
2012年,著名的潘建偉小組首次實現(xiàn)了八光子糾纏,并成功將該技術(shù)應(yīng)用于拓撲量子糾錯和百公里量子隱形傳態(tài)實驗。2010年,美國加州理工學(xué)院研究團隊實現(xiàn)了4個量子接口之間的糾纏。之后清華大學(xué)段路明團隊通過光束復(fù)分技術(shù),在實驗中實現(xiàn)了25個量子接口之間的量子糾纏。至此,量子加密、量子網(wǎng)絡(luò)等量子信息學(xué)成果開始步入新的發(fā)展階段。
2017年,潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛(wèi)星完成了全新的量子通信進行試驗,實現(xiàn)了在在1200公里的通信距離,以衛(wèi)星量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬個信號光子,極大豐富了量子通信的實驗手段,并為量子通信走向應(yīng)用奠定了新的基礎(chǔ)。
在光子糾偏之外,以超導(dǎo)微波來誘發(fā)量子糾偏,是另一種目前階段的主要實驗思路。也是通用型量子計算機的主要探索方向。2018年,芬蘭阿爾托大學(xué)教授麥卡·習(xí)嵐帕團隊對兩個獨自振動的鼓膜進行了量子糾纏,兩個鼓膜持續(xù)進行了30分鐘左右的互動。
對于量子糾纏的實驗從未止步,就在今年8月《自然》雜志還發(fā)布了德國團隊實現(xiàn)14個光子有效糾纏的研究成果。
量子并不代表著神秘莫測的未知。只有實驗,更精密、豐富、多元的實驗,才能讓量子糾纏從神壇走下,來到人間。
應(yīng)用黎明:從量子糾纏到量子通信、量子計算
距離第一次光子糾偏實驗,已經(jīng)過去了七十年。雖然在大眾輿論范疇中,我們依舊有太多關(guān)于量子力學(xué)的祛魅工作要完成,畢竟今天的量子就像曾經(jīng)的電能一樣,有很多東西對大眾來說是反常識的,但在產(chǎn)學(xué)銜接的端口,量子糾纏的數(shù)十年實驗探索已經(jīng)產(chǎn)出了應(yīng)用成果。其中最為大眾熟悉的就是量子通信與量子計算。
一方面,這些技術(shù)應(yīng)用了量子糾纏本身的并發(fā)特性來實現(xiàn)目標。比如目前的量子通信,主要是通過量子加密的方式來提升信息安全水平,但也有一些量子信息科學(xué)成果,與量子糾纏的實驗進程密不可分。比如光量子計算機,就充分應(yīng)用了激光導(dǎo)致光子糾偏的實驗現(xiàn)象。目前IBM、谷歌等公司探索的通用量子計算機,也與量子糾纏實驗中的超導(dǎo)傳遞、絕對低溫環(huán)境等發(fā)現(xiàn)緊密相關(guān)。
在今天,我們已經(jīng)在量子糾纏理論得到確認,量子糾纏實驗不斷發(fā)展的幫助下,看到了量子應(yīng)用的一點點曙光。盡管這種曙光依舊遙遠,但可以肯定的是一旦達到某種臨界點,量子信息學(xué)將對目前的信息科學(xué)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的巨大影響。
當然,利用量子糾纏無視距離界限傳遞信息的“真·量子通信”尚且遙遠。目前開始探索應(yīng)用的量子通信主要是信息加密與解密手段。而更加飽受期待的量子計算,還依舊無法擺脫計算任務(wù)有限、對溫度等環(huán)境要求苛刻、造價巨大等限制。在過去的內(nèi)容中,我們說過一個有趣的現(xiàn)象:每一到兩年,就會有公司站出來說我們實現(xiàn)了量子計算機超越經(jīng)典計算機的“量子霸權(quán)”。但每次所謂的量子霸權(quán),都難以自圓其說,無法取得業(yè)界共認。
不管怎么說,量子糾纏已經(jīng)有一條支脈從實驗室里走出來,走向了充滿更多挑戰(zhàn)的產(chǎn)業(yè)世界。大環(huán)境下的量子計算機發(fā)展,建設(shè)大型量子計算設(shè)備,已經(jīng)成為科技巨頭的兵家必爭之地,甚至國家科技競賽的關(guān)鍵。同時量子加密、量子模擬、量子深度學(xué)習(xí)等產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,正在為量子與現(xiàn)實世界之間的“糾纏”帶來更多機遇,吸引更多人才。
我們曾經(jīng)采訪過許多量子科學(xué)與量子計算領(lǐng)域的老師,他們普遍認為,量子科學(xué)在今天需要更多科普,需要號召更多年輕人加入這個學(xué)科。
一方面,輿論反復(fù)渲染量子科學(xué)的“高深莫測”,甚至污名化搞出量子鞋墊、量子速讀,會令很多學(xué)生對量子學(xué)科產(chǎn)生擔(dān)憂與畏懼,不看好其就業(yè)前景,從而導(dǎo)致學(xué)科的人才流失。另一方面,社會中的各種大師,社交媒體上的各路大神,不遺余力發(fā)表著各種各樣的“量子高論”,其實都與量子科學(xué)沒有任何關(guān)系。這很容易讓一個剛剛產(chǎn)生火花的方向,蒙上太多不必要的陰霾。
如果大家真的關(guān)注量子糾纏,那不妨多讀一些科普內(nèi)容,關(guān)注各大科研機構(gòu)、科技企業(yè)的量子技術(shù)布局。千萬不要受到諾獎新聞影響,去很多“量子XX”貼吧讀一些民間高手的奇談怪論。那些東西過于離譜。
不是什么東西都要落到玄學(xué),時空,佛性,四維空間,多元宇宙上去。科學(xué)世界也沒有“遇事不決,量子力學(xué)”。量子糾纏的探索,反而是實驗精神的勝利,是人類用理性戰(zhàn)勝未知的勝利。
坐而玄談是一種快樂,甚至是人的本性。但這最多能豐富一下業(yè)余生活,結(jié)交三五知己。真正推動科學(xué)進步的,是實驗精神與專業(yè)分工,是數(shù)十年如一日的艱苦探索,是不斷提出證偽,找尋漏洞,拓展手段,夯實結(jié)論。
實驗精神終將勝利,我們終將像面對電能、計算機一樣面對量子世界。抵達終極的辦法只有一個,就是讓終極成為旅途的一部分。
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