文/陳根
北京時間 10 月 4 日17 時 45 分，2022 年諾貝爾物理學(xué)獎公布，授予法國學(xué)者阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect） ，美國學(xué)者約翰·克勞澤（John?Clauser）和奧地利學(xué)者安東·蔡林格（Anton?Zeilinger），以表彰他們“用糾纏光子進行實驗，證偽貝爾不等式，開創(chuàng)量子信息科學(xué)”。
今年的諾貝爾物理學(xué)獎授予這三名物理學(xué)家，既是因為他們的先驅(qū)研究為量子信息學(xué)奠定了基礎(chǔ)，也是對量子力學(xué)和量子糾纏理論的承認(rèn)。而展望未來，量子糾纏最為誘人的應(yīng)用就是量子計算機和量子通信，其中包括量子信息、量子加密、量子傳輸?shù)鹊?，量子時代正在加速到來，人類也將經(jīng)歷一場全面的革新。
“幽靈般的超距作用”
此次獲獎的核心，就在于“量子糾纏”。
通俗而言，兩個相距遙遠(yuǎn)的陌生人不約而同地想做同一件事，好像有一根無形的線繩牽著他們，這種神奇現(xiàn)象可謂“心靈感應(yīng)”。
與此類似，量子糾纏則是指在微觀世界里，有共同來源的兩個微觀粒子之間存在糾纏關(guān)系，這兩個糾纏在一起的粒子就好比是一對有心電感應(yīng)的雙胞胎，不論兩人距離多遠(yuǎn)，千米量級或者更遠(yuǎn)，只要當(dāng)其中一個人的狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個人的狀態(tài)也會跟著發(fā)生一樣的變化。也就是說，不管這兩個粒子距離多遠(yuǎn)，只要一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，就能立即使另一個粒子的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化。
不過，在更早以前，量子糾纏并不是一個被認(rèn)同的存在。愛因斯坦和玻爾都是量子力學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，但他們對量子理論的詮釋卻是各執(zhí)己見，針鋒相對。其中，愛因斯坦的觀點可以用其名言“上帝不擲骰子”來概括。愛因斯坦強調(diào)量子力學(xué)不可能有超距作用，意味著他堅持經(jīng)典理論的“局域性”。
愛因斯坦認(rèn)為：經(jīng)典物理中的三個基本假設(shè)——守恒律、確定性和局域性，局域性應(yīng)當(dāng)是經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)所共有的。其中，守恒律指的是一個系統(tǒng)中的某個物理量不隨著時間改變的定律，包括能量守恒、動量守恒、角動量守恒等等。確定性說的則是從經(jīng)典物理規(guī)律出發(fā)能夠得到確定的解，例如通過牛頓力學(xué)可以得到物體在給定時刻的確定位置。
局域性也叫作定域性，即認(rèn)為一個特定物體只能被它周圍的力影響。也就是說，兩個物體之間的相互作用，必須以波或粒子作為中介才能傳播。根據(jù)相對論，信息傳遞速度不能超過光速，所以，在某一點發(fā)生的事件不可能立即影響到另一點。因此，愛因斯坦才會在文章中將兩個粒子間瞬時的相互作用稱為“幽靈般的超距作用”。值得一提的是，量子理論之前的經(jīng)典物理也都是局域性理論。
實際上，早在1935年，愛因斯坦、博士后羅森、研究員波多爾斯基聯(lián)合發(fā)表了論文《物理實在的量子力學(xué)描述能否被認(rèn)為是完備的？》，后人稱之為EPR文章，EPR即是三人的名的首字母。這篇文章的論證又被稱為EPR佯謬或愛因斯坦定域?qū)嵲谡摚?/span>愛因斯坦認(rèn)為，一個粒子只在局部擁有其所有特性并決定了任何測量的結(jié)局。
與愛因斯坦的觀點不同，玻爾則認(rèn)為，愛因斯坦總是將觀測手段與客觀世界截然分開，這是不對的。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為觀測手段會影響結(jié)果，微觀的實在世界只有與觀測手段一同被考慮才有意義。在觀測前談?wù)撁總€粒子的狀態(tài)如何沒有任何實際意義。并且，因為兩個粒子形成了一個互相糾纏的整體，因此，只有用波函數(shù)描述的整體才有意義，人們不能將它們視為相隔甚遠(yuǎn)的兩個個體——既然是協(xié)調(diào)相關(guān)的一體，它們之間便無須傳遞什么信息。
也就是說，EPR佯謬只不過表明了兩種哲學(xué)觀——愛因斯坦的“經(jīng)典局域?qū)嵲谟^”和哥本哈根學(xué)派的“量子非局域?qū)嵲谟^”的根本區(qū)別。
為量子糾纏正名
雖然EPR佯謬中的思想實驗并沒有達(dá)到愛因斯坦的目的，但它卻開創(chuàng)了一小塊新的領(lǐng)域，為后來的科學(xué)家提供了思路，促進了科學(xué)的發(fā)展。不管究竟應(yīng)該如何解讀量子糾纏，后來的科學(xué)家通過實驗驗證，證實了這種“糾纏”現(xiàn)象的確存在。
物理學(xué)家約翰·惠勒是提出用光子實現(xiàn)糾纏態(tài)實驗的第一人。1946年，約翰·惠勒指出，正負(fù)電子對湮滅后生成的一對光子應(yīng)該具有兩個不同的偏振方向。不久后，1950年，吳健雄和沙科諾夫發(fā)表論文宣布成功地實現(xiàn)了這個實驗，證實了惠勒的思想，生成了歷史上第一對偏振方向相反的糾纏光子。
具體來看，光是一種波動，并且有其振動方向，就像平常見到的水波在往前傳播的時候，水面的每個特定位置也在上下振動一樣，上下就是水波的振動方向。一般的自然光由多種振動方向的光線隨機混合在一起，但讓自然光通過一片特定方向的偏振片之后，光的振動方向便被限制，成為只沿某一方向振動的“偏振光”。
比如，偏振式太陽眼鏡的鏡片就是一個偏振片。偏振片可以想象成是在一定的方向上有一些“偏振狹縫”，只能允許在這個方向振動的光線通過，其余方向的光線大多數(shù)被吸收了。
實驗室中，科學(xué)家們可以使用偏振片來測定和轉(zhuǎn)換光的偏振方向。光線可以取不同的線性偏振方向，相互垂直的偏振方向可類比于電子自旋的上下，因此，對用自旋描述的糾纏態(tài)稍做修正，便對光子同樣適用。
也就是說，如果偏振光的振動方向與偏振片的軸一致，光線就可以通過；如果振動方向與檢偏垂直，光線就不能通過。如果兩者成45°角，就會有一半的光通過，另一半不能通過。不過，在量子理論中，光具有波粒二象性，并且，在實驗室中完全可以使用降低光的強度的方法，讓光源發(fā)出一個個分離的光子。
要知道，單個光子也具有偏振信息。對于單個光子來說，進入檢偏器后只有“通過”和“不過”這兩種結(jié)果，因此，在入射光子偏振方向與檢偏方向成45°角時，每個光子有50%的概率通過，50%的概率不通過。而如果這個角度不是45°是一個別的角度，通過的概率也將是另外一個角相關(guān)的數(shù)。
這意味著，光子既可以實現(xiàn)糾纏，又?jǐn)y帶著偏振這樣易于測量的性質(zhì)，因此，科學(xué)家們完全可以用它們來設(shè)計實驗，檢驗愛因斯坦提出的EPR佯謬。不過能在實驗中檢驗量子糾纏，最初還要歸功于貝爾不等式的提出。
1964年，英國物理學(xué)家約翰·貝爾（John Stewart Bell）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(yuǎn)不會超過某個值。
獲獎?wù)咧坏目藙谏淌冢?span style="">發(fā)展了約翰·貝爾的想法，并進行了一個實際的量子糾纏實驗：約翰·克勞澤建造了一個裝置，一次發(fā)射兩個糾纏光子，每個都打向檢測偏振的濾光片。1972年，他與博士生斯圖爾特·弗里德曼一起，展示了一個明顯違反貝爾不等式的結(jié)果，并與量子力學(xué)的預(yù)測一致。用實驗檢驗貝爾不等式，根本目的在于驗證量子系統(tǒng)中是否存在隱變量，即檢驗量子力學(xué)到底是定域的，還是非定域的。
但克勞瑟實驗仍然存在一些漏洞——局限之一是，該實驗在制備和捕獲粒子方面效率低下。而且由于測量是預(yù)先設(shè)置好的，濾光片的角度是固定的，因此存在漏洞。隨后，阿斯佩教授進一步完善了這一實驗，他在糾纏粒子離開發(fā)射源后，切換了測量設(shè)置，因此粒子發(fā)射時存在的設(shè)置不會影響到實驗結(jié)果。
此外，通過精密的工具和一系列實驗，塞林格教授開始使用糾纏態(tài)量子。他的研究團隊還展示了一種被稱為“量子隱形傳態(tài)”的現(xiàn)象，這使得量子在一定距離內(nèi)從一個粒子移動到另一個粒子成為可能。
從貝爾不等式的提出，到克勞澤等的第一次實驗，再到后來對于漏洞的補充和驗證至今，已經(jīng)過去了50多年。所有的這些貝爾測試實驗都支持量子理論，判定定域?qū)嵲谡撌鞘〉?/strong>。
量子糾纏開啟量子通信
三位物理學(xué)家長期對于量子力學(xué)的研究工作，最終為量子糾纏正了名，而這對現(xiàn)代科技的意義卻是不容小覷的。
量子通信正是利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型通信方式。量子通信指的主要是加密以及密碼的傳送方式是量子的，信息的具體通信方式仍然是經(jīng)典的。換言之，量子通信需要借助經(jīng)典和量子兩個通道：量子通道負(fù)責(zé)產(chǎn)生和分發(fā)量子密鑰，經(jīng)典通道負(fù)責(zé)傳遞用量子密鑰加密后的真實信息。
保密和竊密的舉動自古有之，“道高一尺，魔高一丈”，兩者間永遠(yuǎn)進行著不停升級的智力戰(zhàn)爭。人們不斷研發(fā)現(xiàn)代保密通信技術(shù)，不僅是為了保護個人隱私，也是為了商業(yè)、政治之間的信息保密。
然而，密碼總存在被破譯的可能，尤其是在量子計算出現(xiàn)以后，采用并行運算，對當(dāng)前的許多密碼進行破譯幾乎易如反掌。
具體來看，在密碼學(xué)中，需要秘密傳遞的文字被稱為明文，將明文用某種方法改造后的文字叫作密文。將明文變成密文的過程叫加密，與之相反的過程則被稱為解密。加密和解密時使用的規(guī)則被稱為密鑰?，F(xiàn)代通信中，密鑰一般是某種計算機算法。
對稱加密技術(shù)中，信息的發(fā)出方和接收方共享同樣的密鑰，解密算法是加密算法的逆算法。這種方法簡單、技術(shù)成熟，但由于需要通過另一條信道傳遞密鑰，所以難以保證信息的安全傳遞——一旦密鑰被攔截，信息內(nèi)容就暴露了。由此才發(fā)展出了非對稱加密技術(shù)。
在非對稱加密技術(shù)中，每個人在接收信息之前，都會產(chǎn)生自己的一對密鑰，包含一個公鑰和私鑰。公鑰用于加密，私鑰用于解密。加密算法是公開的，解密算法是保密的。加密解密不對稱，發(fā)送方與接收方也不對稱，因此被稱作非對稱加密技術(shù)。從私鑰的算法可以容易地得到公鑰，而有了公鑰卻極難得到私鑰。也就是說，這是一種正向操作容易、逆向操作非常困難的算法。目前常用的RSA密碼系統(tǒng)的作用即在于此。
RSA算法是羅恩·里韋斯特（Ron Rivest）、阿迪·沙米爾（Adi Shamir）和倫納德·阿德爾曼（Leonard Adleman）三人發(fā)明的，以他們姓氏中的第一個字母命名。該算法基于一個簡單的數(shù)論事實：將兩個質(zhì)數(shù)相乘較為容易，反過來，將其乘積進行因式分解而找到構(gòu)成它的質(zhì)數(shù)卻非常困難。
比如，計算17×37=629是很容易的事，但是，如果反過來，給你629，要你找出它的因子就困難一些了。并且，正向計算與逆向計算難度的差異隨著數(shù)值的增大而急劇增大。對經(jīng)典計算機而言，破解高位數(shù)的RSA密碼基本不可能。一個每秒鐘能做1012次運算的機器，破解一個300位的RSA密碼需要15萬年。
但這對于量子計算機卻是非常輕易的事情，使用肖爾算法的量子計算機，只需1秒鐘便能破解剛才那個300位的密碼。可以說，在這個數(shù)據(jù)安全愈發(fā)人人自危的今天，量子通信的發(fā)展正在成為一種必然——量子通信的魅力就在于其可以突破現(xiàn)有的經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限，這在缺乏信息安全的當(dāng)下，是極大的安全感，而這或許也是此次諾貝爾物理學(xué)獎會跨越快40年將獎項頒給三位驗證了量子糾纏的物理學(xué)家的原因所在。
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