??什么是量子力學?

經典物理學在19世紀末20世紀初，已經發展得很完備。我們生活中的宏觀、低速的場景，經典物理學都能給出很好的預測和解釋。日月星辰、蘋果小球，都遵循著同樣的運行規律，仿佛只要知道了體系的初始狀態，后面的一切演化都是確定的。 可是，真的是這樣嗎？如果今天宇宙中的一切早在大爆炸的那一刻就決定了，人類的努力還有沒有意義？ 1900年，隨著普朗克提出了量子的能量說，人類進入量子時代，就在那個群星閃耀的時代，愛因斯坦提出了光量子的效應；玻爾描述了原子的能級；薛定鍔用一個方程來描述概率波的世界；海森堡提出了 “測不準原理”。很多科學家共同描述了量子世界的樣貌。

那么，量子是什么呢？

量子是構成物質的最基本的單元，是能量的最基本的攜帶者，比如光子、原子、分子。并且，我們說它已經是最基本的單元，意味著它就不可以再往下細分了。 量子有什么樣的特性？我們可以將其與經典物理進行對比：在經典物理學的理論之下，我們可以用0和1作為比特來描述世界；而在量子世界里，由于量子疊加，比特可以處在0或1，也可以處在0和1的疊加的狀態。

以光子為例，光子既是粒子也是波，它有波動的特性，它振動的方向就叫做極化方向。極化方向可以在任何一個方向，可以是水平的，或者是垂直的，也可以處在二者的疊加態。

當我們對極化方向去做測量的時候，結果并不是確定的，它有50%的概率在水平，有50%的概率在豎直，這就是它的疊加性。需要說明的是，這個量子疊加特性是單粒子的狀態。

如果是雙粒子或者更多的粒子出現的時候，就會出現了量子力學的精髓——量子糾纏。

我用雙胞胎來打個比方，一個同卵的雙胞胎，即使在世界上不同的地方，如果其中一個的眼珠是黃色的，你不用去看另外一個，就可以知道他的眼睛肯定也是一樣的顏色。而實際上在量子糾纏這個問題上，情況要更復雜一些：在你沒有去測量他眼珠顏色之前，眼珠顏色是處在一個疊加狀態的，它有一定的概率處于黃，一定的概率處于藍。但當你去看其中一個孩子眼珠顏色的時候，另一個孩子的眼珠也處在了同樣的狀態。愛因斯坦認為，這是不可思議的，他把這種現象稱之為“遙遠地點之間的詭異互動”。他認為必須要力證這個事情的荒謬。 1935年，愛因斯坦跟波爾多斯基、羅森三個人發表了一篇文章，來質疑量子力學的完備性。

因為他認為，身處兩地的雙胞胎，眼球的顏色肯定是預先確定的。一旦你看到其中一個的顏色是黃色，會有一個“超人”立刻告訴遠處的另一個人，讓他也變成黃色。這個“超人”非常強大，超越了我們的日常理解，愛因斯坦把它叫做隱變量。愛因斯坦認為，粒子的原始狀態是確定的，之所以會出現“遙遠之間的詭異互動”，是因為有一個隱變量在操縱。而那篇文章，因為三位作者的名字，被稱作EPR佯繆。 這就是在當時兩種量子力學學派的爭論。一派以愛因斯坦為代表，他認為世界是定域實在的，事物本身都是確定的，只要傳播的速度沒有超過光速，兩地的狀態就來不及產生關聯。而以玻爾為代表的另一派則認為，量子是有非定域性的，在非局域上能夠同時有相應的變化產生。 兩個學派爭論了幾十年，一直都處在哲學思辨的層面。終于，貝爾在1964年，想出了一種方法，來證明隱變量的存在。他從EPR佯謬出發來做推論，設計了一個不等式，假設有這樣一個隱變量存在，這個不等式的結果不會超過2。但如果量子力學糾纏是存在的，這個結果會超過2。

貝爾不等式為實驗驗證愛因斯坦和玻爾誰對誰錯提供了思路。那么，接下來就是從不等式的數學形式到實驗驗證。John Clauser、Shimony和他的學生Horne，兩組人同時開展實驗方案的設計，后來再加上Holt，他們四個人形成了一個叫做CHSH（以其姓氏首字母命名）的不等式，這樣，貝爾不等式往實驗可驗證的路上進了一步。 后來，他們四個人又分成了三個組，去繼續實驗。1972年，Clauser第一個用量子糾纏檢驗了貝爾不等式，證明量子力學是正確的。不過，既然是第一個實驗，就有考慮不周的地方——既然是檢驗遙遠距離之間的影響，互相就不能“竊竊私語”，而Clauser的實驗設備距離很近，測量也都是固定的，就像分別對兩個孩子進行考試，他們離得太近互相偷看，就算沒有糾纏，他倆的答案還是互相對應的。

Alan Aspect 發現了這個問題，他的實驗設計，能夠滿足遙遠之間互相不影響，也就是我們說的類空間隔，證明了量子力學的正確。 但Alan Aspect的實驗還是有漏洞——測量方向是周期的，如果隱變量真的存在，也許就能像超人一樣，根據這個周期來操縱實驗結果。所以，1998年，Zeilinger進一步改進實驗，他讓測量方向變成隨機的，關閉了這個局域性漏洞。 接下來，讓我們把腦洞再開大一點，考慮到在這些實驗里，探測到的這些糾纏，其實是產生的那些糾纏里的非常少的一部分，也許，超人又來“使壞”了，他故意讓你看到那有關聯的少部分，這就是所謂探測漏洞。所以，后來一些科學家不斷改進實驗，最終同時關閉了定域性漏洞和探測漏洞，事實證明，所有的實驗都驗證了量子力學的正確性。

當然，嚴格來說，貝爾不等式假設的都是非常完美的條件，所以目前還有相關的漏洞沒有嚴格關閉，還需要科學家繼續往下走。 這些故事講完了，我們現在來看今年的諾貝爾物理學獎：獲獎者是Alan Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger。獎勵他們用糾纏光子進行實驗，確立了貝爾不等式的違背，開創了量子信息科學。是的，量子糾纏不僅有理論上的革命性意義，還可以幫助我們做很多事。比如前面提到的Anton Zeilinger，提出并實現了三粒子糾纏，貝爾不等式得到了更強有力的驗證。此外，多粒子糾纏還被證明可以干別的事情，比如，量子通信，量子計算，量子精密測量等。 ? ?

量子通信的故事?

量子力學是一個革命性的觀念，對量子力學的一些根本性的問題，科學家還在繼續研究，但是對量子的應用早已展開。今天，我想介紹量子信息科學中的重要部分——量子通信。 ?

首先是量子密鑰分發——光子不可再分，竊聽者是沒有辦法偷走一半的，只要通信的雙方共享了量子態，竊聽者一旦有測量行為，最后通信雙方通過比對就必定會發現，經過比對檢驗過的密鑰，再結合一次一密的加密方式，我們就可以在原理上實現無條件安全的通信方式。

原理上無條件安全的通信方式

另一個是全新的量子通信的方式——量子隱形傳態。就是利用量子糾纏，將量子信息傳送到另一地點，而不用傳送信息載體本身。

量子隱形傳態示意圖

在電影《星際迷航》里，就有這樣的過程。我們來想象一下，我們上海的實驗室有跟北京某個實驗室相互糾纏的物質，我把自己跟上海的這團物質測量一下，測量的結果通過網絡發去北京。北京方面根據收到的測量結果，做一次操作，我就在那邊出來了。當然，測量一個人的所有信息現在還辦不到。但是在我們現有的實驗室里，多體、多終端、多自由度、多維度的量子隱形傳態是在漸漸實現的。

現在來看一看關于量子通信早期的原理性驗證，1992年，科學家實現了首次的量子密鑰分發，當時的距離只有32公分，整個裝置又大又粗糙，屬于原型演示。而最早的量子隱形傳態實驗， 則是1997年，由Bouwmeester、潘建偉、Anton Zeilinger共同完成的。該實驗在1999年入選了《nature》物理學百年的21篇經典論文，當時入選的論文工作包括倫琴的X射線，還有愛因斯坦的相對論等。到今年為止，這21篇論文全數斬獲諾貝爾獎。

從實用的角度說，既然是量子通信，就要實現遠距離。光子在光纖里面是有固定的損耗的，遠距離量子通信，需要量子中繼，而更有效的方式，就是自由空間的量子通信，除了大氣層這段，外太空幾乎沒有對光子的損耗和退相干。

在自由空間量子通信的國際競爭中，我們國家率先于2011年11月啟動了中科院“量子科學實驗衛星”的先導專項計劃，并于2016年成功發射“墨子號”量子科學實驗衛星。

“墨子號”發射至今，成果不斷涌現。星地雙向糾纏分發和貝爾不等式檢驗、星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態，都已經達到了千公里水平。

在今年諾貝爾獎公布新聞發布會上，“墨子號”研究成果被重點介紹。諾獎官方深度解讀里，也引用了中國人的一些工作。 “墨子號”取得的成功，激發了國際上很多國家投入空間量子通信計劃，目前，我們不管是在“墨子號”，還是后續的低軌小衛星，都還是在國際上保持領先。未來，我們希望通過太空中低軌、高軌的衛星組網，實現天地一體化的廣域量子通信保密體系，并且與經典的通信網絡實現無縫的鏈接，來構建具有國際引領地位的戰略性新興產業和下一代的國際信息安全生態系統。 在基礎物理方面，可能會結合我國的登月計劃，開展觀測者參與的量子力學非定域性檢驗。

編輯：黃飛

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