日报

量子纠缠快过光速,瞬间传输成为可能

刊登于 2015-10-27

科学家再次提供了关于量子纠缠效应确实存在的实验证明。图为 Bas Hensen(左)和 Ronald Hanson 教授正在调整测试装置。摄 : Frank Auperle/Delft University of Technology
科学家再次提供了关于量子纠缠效应确实存在的实验证明。图为 Bas Hensen(左)和 Ronald Hanson 教授正在调整测试装置。

在量子力学理论中,量子纠缠(Quantum Entanglement)效应问题“纠缠”了物理学家们几十年,至今也没人能弄清背后的机制。这一效应描述了一个亚原子粒子(比原子更小的诸如电子、中子、光子等粒子)的状态可以“瞬间”对另外一个亚原子粒子的状态产生影响的现象,无论它们相距多远。

这一违反“常理”的现象曾被著名物理学家爱因斯坦讽刺为“幽灵般的远程效应”,因为在空间中超越光速的信息传递显然违反了相对论。然而,科学家们近年来的多个实验证实,这一量子力学的反直觉预言正确无误,甚至还测出了量子纠缠的作用速度比光速快得多。但这些实验几乎都被认为是有“漏洞”的。

近日,来自荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)以及西班牙和英国的科学家们在著名学术期刊《自然》(Nature)上发表研究论文,提供了新的关于量子纠缠效应确实存在的实验证明,并宣称此前实验中最重要的“漏洞”已经得到修补。

自上世纪70年代,这些测试就已经完成,但总是需要额外的假设。现在我们已经证实了幽灵般的远程效应的确存在。

该研究负责人、物理学家 Ronald Hanson

根据量子力学理论,一对相互“纠缠”电子的自旋属性只有在测量时才能确定,并有如下性质:若其中一个电子测得的结果为上旋,则另外一个电子必定为下旋;反之亦然。研究人员把两颗钻石分别放在荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)校园的两端(距离为1.3公里),每颗钻石内含有一个可以俘获单个电子的微小空间。校园两端设有探测器,以确保分别放置在两颗钻石内的电子之间无法以传统的物理方式交换信息。实验结果证明,这一对电子之间确实存在某种“超越时空”的连接。

这项实验同时展示了利用量子纠缠实现安全加密技术的可行性,并朝着“量子互联网”的实际应用前进了一步。比如,一个由链状纠缠粒子环绕地球而形成的量子通信网络将能够极为安全地共享加密密码,从而解决现今互联网加密体系出现的一些问题。

此外,《自然》杂志今年2月还曾发表封面文章,介绍中国科技大学的“多自由度量子体系的隐形传态”研究成果。量子隐形传态的原理也是基于量子纠缠,这一技术让科学家可以在异地瞬间获知粒子状态,从而让“瞬间传输”技术的实现成为可能。

10000
2013年,中国科技大学量子隐形传态研究项目组测出,量子纠缠的传输速度至少比光速快10000倍。

声音

开展这样的实验需要克服一些重大现实挑战,本次实验的成功标志着一个里程碑,它显示了人类在长距离范围内实现对光与物质在最深层面上操控的能力。

英国伦敦大学学院纳米技术专家 John Morton

这两者之间建立了某种完美的关联性,当你观测其中一个粒子,那么此时另外一个粒子就会自动变成与其相反的状态。这样的关联变化是瞬间发生的,即便另外一个粒子远在星系的另一端也是一样。

该研究负责人、物理学家 Ronald Hanson

我想这是一个设计完美、巧妙的实验,将有助于推进整个领域。这项实验已经很漂亮地堵住了三大漏洞中的两个,但三分之二是不是三分之三。我十分相信,量子力学是大自然的正确描述。但是,坦率地说,我们还不到使用最强烈的语气说话的地步。

美国麻省理工学院物理学家 David Kaiser

量子纠缠

在量子力学里,假设一个量子系统是由两个子系统组成,其两个子系统在相互作用之后,只能设定描述整个系统的量子态,不能独立地设定描述子系统的量子态,这种现象称为量子纠缠(quantum entanglement)。多于两个子系统所组成的系统也会发生量子纠缠。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。假若对于两个相互纠缠的粒子分别测量其物理性质,像位置、动量、自旋、偏振等,则会发现量子关联现象。例如,假设一个零自旋粒子衰变为两个以相反方向移动分离的粒子。沿着某特定方向,对于其中一个粒子测量自旋,假若得到结果为上旋,则另外一个粒子的自旋必定为下旋,假若得到结果为下旋,则另外一个粒子的自旋必定为上旋;更特别地是,假设沿着两个不同方向分别测量两个粒子的自旋,则会发现结果违反贝尔不等式;除此以外,还会出现貌似悖论般的现象:当对其中一个粒子做测量,另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果,尽管不存在任何传递资讯的机制,尽管两个粒子相隔甚远。像光子、电子一类的微观粒子,或者像分子、巴克明斯特富勒烯,甚至像小钻石一类的介观粒子,都可以观察到量子纠缠现象。现今,研究焦点已转至应用性阶段,即在通讯、计算机领域的用途。然而,物理学者仍旧不清楚量子纠缠的基础机制。(资料来自维基百科)

来源:纽约时报时代周刊每日邮报新浪科技

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