“鬼魅般的超距作用”：量子糾纏
——2015年國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)賞析

◇　北京　程 帥　劉 銘　何 龍

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“鬼魅般的超距作用”：量子糾纏
——2015年國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)賞析

◇北京程 帥劉 銘何 龍

2016年1月8日,潘建偉院士及其團(tuán)隊(duì)無疑成為中國科學(xué)界最閃耀的明星.當(dāng)天,由潘院士帶隊(duì)的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)奪得了國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng),也是我國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)項(xiàng)．而讓他們獲此殊榮的項(xiàng)目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學(xué)”,聽起來莫測高深,光子和光子居然也會(huì)“糾纏”在一起.當(dāng)然此“糾纏”非彼“糾纏”,就讓我們一起來了解一下量子世界的糾纏態(tài)吧!

圖1　量子糾纏示意圖

愛看科幻劇的同學(xué)們也許會(huì)注意到,“量子糾纏”這樣一個(gè)名詞在各式科幻巨作中不乏出現(xiàn),近期較火的一部科幻美劇《神盾局特工》中就有一位精通量子糾纏的異能人士,他雙眼已盲卻可瞬移千里,其超能力的源泉就來源于“鬼魅般的超距作用”——量子糾纏．

要了解“量子糾纏”的怪異行止,我們不妨先了解一下“態(tài)疊加”和“薛定諤的貓”．薛定諤曾如此描述這一貌似荒謬的理論:一只小貓被關(guān)進(jìn)裝有毒氣觸發(fā)裝置的箱子里面,而觸發(fā)裝置是一種有 50%概率發(fā)生衰變的原子,若原子衰變,毒氣就會(huì)釋放讓小貓死亡,反之小貓安全．如果我們想要了解貓的真實(shí)情況,就必須打開箱子,那我們所觀測到的貓要么是活著的,要么是已經(jīng)死去的．但量子力學(xué)的“態(tài)疊加”描述的是若不打開箱子,小貓就既是死的又是活的,是一種區(qū)別于非死即活的全新的態(tài)，如圖2所示.

圖2

那么這與量子糾纏又有什么關(guān)系呢?我們可以把貓換成微觀世界的電子,而電子的“自旋”狀態(tài),即為貓的生與死．電子的自旋不同于陀螺旋轉(zhuǎn),其自旋狀態(tài)只有2種,并且直到你觀測它的那一刻才能決定其是順時(shí)針轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針轉(zhuǎn)．假設(shè)2個(gè)電子形成一組互相糾纏的電子對,根據(jù)泡利不相容原理,二者自旋方向必然相反．對量子理論堅(jiān)信不疑的玻爾和他的同事們相信,這樣的一對電子即便它們相隔萬里,一個(gè)在地球,一個(gè)在月球,沒有傳輸線相連,如果你在某個(gè)時(shí)刻觀測到其中一個(gè)電子在順時(shí)針旋轉(zhuǎn),那么另一個(gè)在同一時(shí)刻必定是在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)．換句話說,如果你對其中一個(gè)粒子進(jìn)行觀測,那么你不止是影響了它,你的觀測也同時(shí)影響了與它“糾纏”在一起的伙伴,而且這與2個(gè)粒子間的距離無關(guān)．2個(gè)粒子的這種怪異的遠(yuǎn)距離連接,愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”,即“量子糾纏”．

事實(shí)上,利用量子糾纏實(shí)現(xiàn)“瞬間移動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)早就在非洲加那利群島的海岸邊進(jìn)行了．維也納大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家安東·蔡林格是實(shí)驗(yàn)的主持者,他認(rèn)為那里有2座天文臺(tái),實(shí)驗(yàn)環(huán)境很優(yōu)越．當(dāng)然,蔡林格的傳送對象不是他自己或其他宏觀物體,他試圖利用量子糾纏傳送的是光的粒子——光子．首先,他在拉帕爾瑪?shù)膶?shí)驗(yàn)室中制造出一對糾纏的光子,將其一留在拉帕爾瑪,另一個(gè)則用激光發(fā)送到140km外的特內(nèi)里費(fèi)島上．接著有意思的實(shí)驗(yàn)正式開始了,蔡林格追加了第3個(gè)光子,但只是讓它與留在拉帕爾瑪?shù)募m纏光子互相作用．不可思議的事就發(fā)生了,科研團(tuán)隊(duì)竟然可以在遠(yuǎn)方島上利用另一枚糾纏態(tài)光子轉(zhuǎn)化生產(chǎn)與第3個(gè)光子相同的東西,仿佛第3個(gè)光子瞬間超越了廣闊的海洋一樣．“這就像是取出了原本光子的信息,然后在遠(yuǎn)方重建它．”使用這種技術(shù),蔡林格已經(jīng)成功傳送了幾十個(gè)光子．

當(dāng)然,這一實(shí)驗(yàn)達(dá)到的效果與人體等宏觀物體的“瞬間移動(dòng)”還相差甚遠(yuǎn),但其影響力不可不謂之深遠(yuǎn)．不過,我們依然要清楚地意識(shí)到,這一所謂的傳輸,輸送的只是光子的全部信息,然后異地重建.若有一天真的實(shí)現(xiàn)了人體的超距糾纏傳輸,將構(gòu)成你身體的幾百萬兆個(gè)粒子中的信息傳送到遠(yuǎn)端重建,那邊的你還是你嗎?

回到潘建偉院士的世界級科研成果:多光子糾纏和干涉度量,其實(shí)就是通過干涉度量的方法實(shí)現(xiàn)多光子的量子糾纏．圖3就是通過干涉形成雙光子糾纏的方法:一個(gè)紫外光脈沖照射一種叫作BBO的晶體,可以有一定概率產(chǎn)生一對光子(記作o光子和e光子)．2個(gè)光子通過在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,就可以形成一個(gè)糾纏態(tài)|HH〉+|VV〉(即當(dāng)o光子是H偏振時(shí),e光子一定也是H偏振,反之當(dāng)o光子是V偏振時(shí),e光子一定也是V偏振)．

圖3　雙光子干涉和糾纏產(chǎn)生的光路示意圖

當(dāng)然,對于量子信息處理尤其是光量子計(jì)算的需求,處于糾纏態(tài)的光子數(shù)目越多越好．如果能夠把這種雙光子干涉產(chǎn)生糾纏的方法層層累加,擴(kuò)展到更高級數(shù),理論上就可以形成更多光子糾纏．但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)搭建過程中,隨著糾纏光子數(shù)目的增多,要求干涉和測量的系統(tǒng)也就越復(fù)雜,一般來說每增加1個(gè)糾纏光子,光學(xué)干涉系統(tǒng)就要復(fù)雜1倍,糾纏態(tài)光子產(chǎn)生的難度也會(huì)隨著光子數(shù)指數(shù)上升．而潘建偉院士團(tuán)隊(duì)從2004年開始,就通過一個(gè)個(gè)在國際上原創(chuàng)的多光子干涉和測量技術(shù),保持著糾纏光子數(shù)的世界紀(jì)錄．2004年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了5光子糾纏,2007年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了6光子糾纏,2012年在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了8光子糾纏,并且保持該記錄至今．很難想象“潘神迷宮”般的8光子糾纏光路(圖4)是怎樣的復(fù)雜、精巧,而又困難重重!

圖4　實(shí)現(xiàn)8光子糾纏的光路圖

基于一直以來的科研成果,早在2012年12月,世界頂級科學(xué)學(xué)術(shù)雜志《自然》就曾指出:“在量子通信領(lǐng)域,中國用了不到10年的時(shí)間,由一個(gè)不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅,必將領(lǐng)先于歐洲和北美．”

(作者單位：清華大學(xué)附屬中學(xué)永豐學(xué)校)