北京時間2022年10月4日下午17點45分，2022年諾貝爾物理學獎在斯德哥爾摩正式揭曉，法國科學家Alain Aspect、美國科學家John F.Clauser和奧地利科學家Anton Zeilinger共享殊榮。諾獎官方給出的獲獎理由是，表彰他們“進行了糾纏光子的實驗，確立了對貝爾不等式的不成立，並開創了量子信息科學”。 （圖片來源：諾獎官網） 本次獲得諾貝爾獎的三位科學家，從理論上證明了量子糾纏的可行性，是量子通信領域的奠基人。他們的成就讓量子通信的實施和量子計算機的搭建成爲可能，這是可能在未來徹底顛覆人類現有科技體系的重大成就。三位科學家2010年即獲得了有“小諾貝爾獎”之稱的“沃爾夫獎”，十餘年來始終是諾貝爾物理學獎的熱門候選人。 和集成電路、藍光LED等其它利用了量子技術的衆多有形成果不同，量子科學本身具有高度的抽象性。這也是爲什麼對於普通公衆來說，對量子通信的認識容易處於一種看不見摸不着的懵懂狀態。在這裏，筆者給自己定了個小目標——這篇文章將不會出現艱深的專門用語，而是儘量利用生活中的簡單例子讓大家對量子科學和量子通信有一個感性的認識。 快來花幾分鐘時間，瞭解一下人類最前沿的科學技術（之一）吧。 01 我的地盤我做主 歡迎來到量子世界 經過一百多年的發展，量子科學的相關研究本身已經形成了枝繁葉茂的龐大系統，它的正確性也在不斷得到驗證。但是，不得不承認，量子科學的諸多規律與我們在宏觀世界中的日常經驗完全不同，筆者在碩士階段學習相關課程時，也時常感到不可思議甚至是不願相信。爲了便於大家理解後面的內容，我們先用打比方的形式來舉幾個能體現量子世界奇妙性的例子。 在舉例子之前，讓我們先記住一些“設定”——當物理學研究對象本身的維度進入到微觀領域時，量子理論就將掌控各種自然規律。微觀量子世界中，“居民們”的第一條特性就是量子化。質量、能量等若干物理量，將從宏觀世界中的連續變化呈現爲間斷性變化，體現出量子特徵。 舉個不太確切的例子，宏觀世界的蘋果，有大有小，蘋果的大小可以連續變化。比如我們採摘一百顆蘋果，它們的大小可能是0.1千克到1千克中的任意取值。而微觀世界中的蘋果，大小就不是連續變化的了，而是相當於某個基礎蘋果尺寸的整數倍，不存在其它尺寸的微觀蘋果。 在量子力學的世界中，很多物理量都是某一基礎值的整數倍（圖片來源：作者自制） 我們還是以蘋果爲例，宏觀世界的蘋果，成熟後就會掉落到地上，假設我們從蘋果脫離蘋果樹的一刻開始進行計算，那麼我們能夠根據牛頓定律推算出蘋果在落地前任意時刻的位置和速度。可是假如到了微觀世界，蘋果下一秒出現在哪裏我們是無從得知的，只能給出一個概率，指出它大概在哪裏。 量子世界的另外一個神奇之處在於，我們的觀測會影響到微觀粒子的狀態。宏觀世界的蘋果，不管我們有沒有盯着看，它們在短時間內顏色始終是固定的，要麼是一顆青蘋果，要麼是一顆紅蘋果。不管你有沒有閉上眼睛，蘋果的顏色不會發生變化。而微觀世界的蘋果呢？在我們沒有進行觀測之前，微觀蘋果的狀態是隨機的，可能是紅也可能是綠。一旦我們睜眼觀察，微觀蘋果的狀態就會固定，呈現綠色或者紅色。 量子力學奠基人羣像（1927年第五次索爾維會議） 02 量子糾纏——粒子間的“心靈感應” 說完了量子世界中的一些基本原理，我們來看看量子糾纏和量子通信到底是怎樣的概念。 量子糾纏是量子世界中，一個非常玄幻的現象。一旦一對（或者多個）微觀粒子處於糾纏態，它們之間就會發生相互影響，當一顆粒子的狀態發生變化，另外一顆也將瞬間隨之變化。最爲神奇的是，這種糾纏並不是宏觀意義上真的像線團一樣的繞在一起，而是可以在非常遙遠的距離上實現。 下面我們來看例子，假如兩顆微觀小蘋果處於糾纏態，那麼當其中一顆呈現綠色的時候，另外一顆就瞬間呈現紅色。即便它們一顆在金星，一顆在火星，這種狀態變化仍然會穿越時空，在瞬間發生。 量子糾纏如此神奇，因此它的概念一經提出，立刻成爲了諸多科學狂想的理論基礎，其中比較典型的是瞬間移動和量子通信。所謂的瞬間移動就是哆啦A夢的傳送門，可以將人或者物體在瞬間傳送到很遠的地方。不得不說，雖然量子糾纏有一點瞬間移動的意味，但發生移動的並不是實體，而僅僅是狀態，並且是微觀粒子的某些特殊狀態。所以，瞬移到底有沒有實現可能，並不是量子糾纏能夠回答的。 一種製備糾纏光子對的方法 03 量子通信，讓科學狂想照進現實 不過，量子通信倒是確確實實已經成爲了人類目前的研究熱點之一，它的理論基礎便是量子糾纏。試想，當兩個粒子處於糾纏態，不論相隔多遠，一旦其中之一的狀態被我們觀測確定，另外一個的狀態也就隨之固定。也就是說雖然不能傳送實體，但是可以傳送信息，這不就是現代通信在做的事情嗎？ 實際的量子通信當然非常複雜，不過我們仍然可以用打比方的形式儘量通俗地理解量子通信的實施過程。 首先，我們需要在微觀果園裏，培育兩顆滿足量子糾纏狀態的小蘋果，它們一顆綠色，一顆紅色，且某一顆變色後另外一顆就會同時瞬間變色。下面我們把兩顆小蘋果中的一顆送去火星，另外一顆就在地球。此時它們還不具備傳送信息的能力，所以我們還需要引入一顆專門進行控制的小蘋果。 當我們把第三顆小蘋果靠近地球上的小蘋果時，地球上的小蘋果就會發生狀態改變，比如紅色變綠色。此時火星上的小蘋果就會瞬間感應到這種變化，從綠色變成紅色。如此一來，就完成了一次信號的傳遞。之後，如果我們把地上的第三顆小蘋果拿走，第一顆小蘋果就會瞬間變回紅色，而火星上的第二顆小蘋果就會瞬間變成綠色。即便是紅綠兩種狀態，也可以定義爲二進制計算機中的0和1，假如第三顆小蘋果靠近和拿走的速度足夠快，我們就足以在短時間內傳遞豐富的信息。 不得不說，從普通人的視角來看，量子糾纏實在是太“邪乎”了，就算是黑洞都沒有這麼讓人難以接受。可是，它確實是物質世界的基本規律，正如諾貝爾獎委員會在獎項宣佈時所說，量子糾纏並非是科學極客的自娛自樂，更不是科學幻想，它切實存在於我們每一個人的身邊。 值得一提的是，2018年中國墨子號量子通信衛星完成洲際間量子通信實驗的事例也出現在了獎項宣佈時的官方PPT中，這是對中國在此領域取得成就的巨大肯定，也讓我們共同期待更多的進展。 出現在諾獎官方PPT中的中國墨子號 出品：科普中國 作者：張昊 監製：中國科普博覽
