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量子糾纏快過光速,瞬間傳輸成為可能


科學家再次提供了關於量子糾纏效應確實存在的實驗證明。圖為 Bas Hensen(左)和 Ronald Hanson 教授正在調整測試裝置。攝 : Frank Auperle/Delft University of Technology
科學家再次提供了關於量子糾纏效應確實存在的實驗證明。圖為 Bas Hensen(左)和 Ronald Hanson 教授正在調整測試裝置。攝 : Frank Auperle/Delft University of Technology

在量子力學理論中,量子糾纏(Quantum Entanglement)效應問題「糾纏」了物理學家們幾十年,至今也沒人能弄清背後的機制。這一效應描述了一個亞原子粒子(比原子更小的諸如電子、中子、光子等粒子)的狀態可以「瞬間」對另外一個亞原子粒子的狀態產生影響的現象,無論它們相距多遠。

這一違反「常理」的現象曾被著名物理學家愛因斯坦諷刺為「幽靈般的遠程效應」,因為在空間中超越光速的信息傳遞顯然違反了相對論。然而,科學家們近年來的多個實驗證實,這一量子力學的反直覺預言正確無誤,甚至還測出了量子糾纏的作用速度比光速快得多。但這些實驗幾乎都被認為是有「漏洞」的。

近日,來自荷蘭代爾夫特理工大學(TU Delft)以及西班牙和英國的科學家們在著名學術期刊《自然》(Nature)上發表研究論文,提供了新的關於量子糾纏效應確實存在的實驗證明,並宣稱此前實驗中最重要的「漏洞」已經得到修補。

自上世紀70年代,這些測試就已經完成,但總是需要額外的假設。現在我們已經證實了幽靈般的遠程效應的確存在。

該研究負責人、物理學家 Ronald Hanson

根據量子力學理論,一對相互「糾纏」電子的自旋屬性只有在測量時才能確定,並有如下性質:若其中一個電子測得的結果為上旋,則另外一個電子必定為下旋;反之亦然。研究人員把兩顆鑽石分別放在荷蘭代爾夫特理工大學(Delft University of Technology)校園的兩端(距離為1.3公里),每顆鑽石內含有一個可以俘獲單個電子的微小空間。校園兩端設有探測器,以確保分別放置在兩顆鑽石內的電子之間無法以傳統的物理方式交換信息。實驗結果證明,這一對電子之間確實存在某種「超越時空」的連接。

這項實驗同時展示了利用量子糾纏實現安全加密技術的可行性,並朝着「量子互聯網」的實際應用前進了一步。比如,一個由鏈狀糾纏粒子環繞地球而形成的量子通信網絡將能夠極為安全地共享加密密碼,從而解決現今互聯網加密體系出現的一些問題。

此外,《自然》雜誌今年2月還曾發表封面文章,介紹中國科技大學的「多自由度量子體系的隱形傳態」研究成果。量子隱形傳態的原理也是基於量子糾纏,這一技術讓科學家可以在異地瞬間獲知粒子狀態,從而讓「瞬間傳輸」技術的實現成為可能。

10000
2013年,中國科技大學量子隱形傳態研究項目組測出,量子糾纏的傳輸速度至少比光速快10000倍。

聲音

開展這樣的實驗需要克服一些重大現實挑戰,本次實驗的成功標誌着一個里程碑,它顯示了人類在長距離範圍內實現對光與物質在最深層面上操控的能力。

英國倫敦大學學院納米技術專家 John Morton

這兩者之間建立了某種完美的關聯性,當你觀測其中一個粒子,那麼此時另外一個粒子就會自動變成與其相反的狀態。這樣的關聯變化是瞬間發生的,即便另外一個粒子遠在星系的另一端也是一樣。

該研究負責人、物理學家 Ronald Hanson

我想這是一個設計完美、巧妙的實驗,將有助於推進整個領域。這項實驗已經很漂亮地堵住了三大漏洞中的兩個,但三分之二是不是三分之三。我十分相信,量子力學是大自然的正確描述。但是,坦率地説,我們還不到使用最強烈的語氣説話的地步。

美國麻省理工學院物理學家 David Kaiser

量子糾纏

在量子力學裏,假設一個量子系統是由兩個子系統組成,其兩個子系統在相互作用之後,只能設定描述整個系統的量子態,不能獨立地設定描述子系統的量子態,這種現象稱為量子糾纏(quantum entanglement)。多於兩個子系統所組成的系統也會發生量子糾纏。量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象;在經典力學裏,找不到類似的現象。假若對於兩個相互糾纏的粒子分別測量其物理性質,像位置、動量、自旋、偏振等,則會發現量子關聯現象。例如,假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子。沿着某特定方向,對於其中一個粒子測量自旋,假若得到結果為上旋,則另外一個粒子的自旋必定為下旋,假若得到結果為下旋,則另外一個粒子的自旋必定為上旋;更特別地是,假設沿着兩個不同方向分別測量兩個粒子的自旋,則會發現結果違反貝爾不等式;除此以外,還會出現貌似悖論般的現象:當對其中一個粒子做測量,另外一個粒子似乎知道測量動作的發生與結果,儘管不存在任何傳遞資訊的機制,儘管兩個粒子相隔甚遠。像光子、電子一類的微觀粒子,或者像分子、巴克明斯特富勒烯,甚至像小鑽石一類的介觀粒子,都可以觀察到量子糾纏現象。現今,研究焦點已轉至應用性階段,即在通訊、計算機領域的用途。然而,物理學者仍舊不清楚量子糾纏的基礎機制。(資料來自維基百科)

來源:紐約時報時代週刊每日郵報新浪科技

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