诺奖解读丨有时候纠缠竟是伟大的比如在

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浙江新闻客户端记者何冬健通讯员周立超吴瑶瑶

瑞典皇家科学院4日宣布,将年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格,以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。

科幻电影《星际旅行》中,宇航员在特殊装置中平静地说一句,“发送我吧”,他就会瞬间转移到外星球。真有这样的“隧道”让我们瞬间转移吗?

“当然是有可能的。”10月4日,之江实验室量子传感研究中心研究员董莹和浙江大学杭州国际科创中心研究员钱超亮在与记者通话中表示,三位科学家的贡献为量子技术的新时代奠定了基础,是第二次量子信息革命的领路人,获奖“当之无愧”。

“对于整个人类来说,我觉得这项研究不管是在物理学还是哲学上,都是一个颠覆性的成果。就像是大名鼎鼎的‘薛定谔的猫’,它告诉我们,世界并不是我们传统中想象的那个样子。”董莹说。

所谓“量子纠缠”,好比是量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象。它的概念,来源于爱因斯坦等人在年提出的EPR悖论。这个悖论显示,在量子力学中,两个相互作用的粒子,无论相隔多远,其量子状态仍能“纠缠”在一起,共享同一个整体的物理状态。

董莹告诉记者,拿两个处在“纠缠态”的电子来说,它们的运动方向相反、速度相同,即使相隔距离比银河系直径还大,只要一个的自转方向改变,另一个必定随之改变,其中没有任何时间差。

当然,之所以被称之为悖论,是因为当时科学的局限性,爱因斯坦等人认为量子理论是“不完备”的,纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递,也就是“隐变量”。他略带讽刺地称之为鬼魅般的超距作用,又可以开玩笑地译为:远距离闹鬼……。

“我们可以这样来想象:假如有个富翁为两个儿子准备了万的遗产,但是两个儿子所在相隔甚远。富豪分别给他们留下了一个信封——这个信封里的数字就是他们享有的遗产。如果大儿子打开信封发现里边是万的话,不需要打电话,他立刻就知道弟弟得到遗产一定是万。”董莹解释说。

到了60年代,爱尔兰的实验物理学家约翰·贝尔提出了一个可用来验证量子力学的不等式:∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy,这就是所谓的贝尔不等式。根据它,物理学家就可以设计实验进行定量验证。如果贝尔不等式始终成立,那么量子力学可能被其他理论替代。

到了70年代,约翰·克劳泽首先完成了检验贝尔不等式的实验。到了80年代,阿兰·阿斯佩用钙原子激发产生的两个可见光子,完成更为精确和几乎无漏洞的贝尔不等式实验。随后安东·蔡林格也完成了更多纠缠粒子的无漏洞贝尔不等式实验。所有实验结果均表明,量子纠缠是正确的!

值得一提的是,作为安东·蔡林格的学生,在这些研究工作中,浙籍科学家、中国科学院院士潘建伟是最主要的参与者之一。在颁奖委员会提到的安东·蔡林格的四篇量子通信实验文章中,他是其中两篇文章的第一作者,两篇文章的第二作者。

年,潘建伟和陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”,推动了全球量子计算的前沿研究达到一个新高度,继谷歌“悬铃木”量子计算机之后,我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。

钱超亮则补充说,量子纠缠、超光速、超距作用等这些令人难以理解的概念,其实是因为我们习惯于从常识的角度来考虑这些问题。

他向记者解释,量子纠缠反映的是跨越空间的相互依赖性,正是这一点缝合了空间和时间的结构,形成了一张“时空”网络,使我们可以谈论“时空”的一部分与另一部分的关系,不过这一想法仍处于高度推测性的理论图景阶段。时空是爱因斯坦的广义相对论所描绘的四维结构,该理论表示它有特定的形状。正是时空的形状定义了引力:质量让时空发生弯曲,弯曲的时空导致的物体运动就使得引力得以显现。

“换句话说,量子力学与广义相对论所支持的引力理论如何协调一致,长期以来一直是个谜团,而纠缠或许正是解决这一谜团的关键。”他说。

目前,这种量子之间的“诡异”特性却被科学家巧妙利用于远程通信技术。科学家把两个同源的量子分开,对其中一个施以“信息”,那么,远在千里之外的另一个量子也会有同样的“反应”,通过读取它的反应,可以实现远超目前水平的通信技术。我国的量子科学实验卫星“墨子号”就是如此,它在国际上率先实现了星地量子通信,首次实现了洲际量子通信,充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。

“越来越清楚的是,一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者在纠缠态方面的工作非常重要,甚至超出了关于量子力学解释的基本问题,”诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克说。




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