|
撰文 澤亞·梅拉利 翻譯 丁家琦 審校 韓晶晶 最新實(shí)驗(yàn)補(bǔ)上了此前驗(yàn)證量子力學(xué)“超距作用”時(shí)的漏洞，最終證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了。這一發(fā)現(xiàn)可幫助我們改善數(shù)據(jù)加密技術(shù)，讓數(shù)據(jù)傳輸更安全。
對(duì)于愛(ài)因斯坦和黑客來(lái)說(shuō)，這或許是個(gè)糟糕的消息。眾所周知，愛(ài)因斯坦痛恨量子力學(xué)的“幽靈般的超距作用”，即操縱一個(gè)物體可以立即影響到遠(yuǎn)距離之外的另一個(gè)物體。但這種量子效應(yīng)現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)了迄今為止最嚴(yán)格的檢驗(yàn)，被證明是量子世界與生俱來(lái)的一部分。 一些物理學(xué)家認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)過(guò)于違背直覺(jué)，并另外發(fā)展了一些更符合直覺(jué)的微觀世界模型，但在荷蘭進(jìn)行的這一實(shí)驗(yàn)徹底擊毀了他們的最后希望。這一發(fā)現(xiàn)也可幫助量子工程師研究出新一代超安全加密設(shè)備。 “從基礎(chǔ)物理學(xué)的角度來(lái)看，這是一個(gè)歷史性的事件?！比鹗咳諆?nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。 在量子力學(xué)中，物體可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，即疊加態(tài)。如一個(gè)原子可以同時(shí)處于兩個(gè)位置，或者擁有相反方向的自旋，而對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量會(huì)迫使它“坍縮”到一個(gè)特定的態(tài)上。此外，不同物體的性質(zhì)可以發(fā)生“糾纏”，即它們的態(tài)以某種方式聯(lián)系在一起：當(dāng)一個(gè)物體的性質(zhì)被測(cè)量時(shí)，與它糾纏的另一個(gè)物體的性質(zhì)也會(huì)改變。 這個(gè)想法是愛(ài)因斯坦所痛恨的，因?yàn)檫@似乎意味著這種“幽靈般的”相互作用甚至可以在距離很遠(yuǎn)的粒子之間即時(shí)傳播，這就違背了沒(méi)有任何物體運(yùn)動(dòng)速度可以超越光速這條普適原則。他提出，量子粒子的性質(zhì)其實(shí)在測(cè)量之前就已經(jīng)決定了，被稱為“隱變量”，盡管我們不能觀測(cè)到它，但“隱變量”預(yù)先決定了處在糾纏中的粒子的行為，使得它們看起來(lái)似乎存在相互作用。 20世紀(jì)60年代，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一種檢驗(yàn)方法，可以區(qū)分出粒子行為到底是符合愛(ài)因斯坦的隱變量理論，還是處于量子力學(xué)的“幽靈作用”中。他通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隱變量所能解釋的相干性有一個(gè)上限。如果超過(guò)了那個(gè)上限，愛(ài)因斯坦的模型就一定是錯(cuò)誤的。 1981年，法國(guó)光學(xué)研究所由阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)率先進(jìn)行了第一個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)，自此以來(lái)出現(xiàn)了越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)，所有的實(shí)驗(yàn)都支持“幽靈”假說(shuō)。但每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有一些漏洞，以至于物理學(xué)家一直沒(méi)能讓愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)徹底出局。使用糾纏光子的實(shí)驗(yàn)經(jīng)常出現(xiàn)一種“探測(cè)漏洞”（detection loophole）：由于實(shí)驗(yàn)并不能探測(cè)到所產(chǎn)生的所有光子，有時(shí)候甚至?xí)┑?0%的光子，因此實(shí)驗(yàn)者只能假設(shè)他們所探測(cè)到的光子性質(zhì)能夠代表整個(gè)光子群體。 為了避免產(chǎn)生“探測(cè)漏洞”，物理學(xué)家通常會(huì)使用比光子更易跟蹤的粒子，例如原子。然而，對(duì)于原子來(lái)說(shuō)，想把它們分隔得很遠(yuǎn)又不至于破壞糾纏就更為困難，這就產(chǎn)生了“通信漏洞”：如果糾纏中的原子距離過(guò)近，那么對(duì)一個(gè)原子的測(cè)量會(huì)影響另一個(gè)原子行為就并沒(méi)有違背光速極限。 8月24日，荷蘭代爾夫特大學(xué)的物理學(xué)家羅納德·漢森（Ronald Hanson）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上傳了他們最新的論文，報(bào)道他們實(shí)現(xiàn)了第一例可以同時(shí)解決探測(cè)漏洞和通信漏洞的貝爾實(shí)驗(yàn)。該研究組使用了一種巧妙的技術(shù)，稱為“糾纏交換”（entanglement swapping），可以將光子與物質(zhì)粒子的好處結(jié)合在一起。他們首先取了位于代爾夫特大學(xué)兩個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室中的一對(duì)非糾纏電子，彼此間距離為1.3千米，每個(gè)電子都與一個(gè)光子相糾纏，而這兩個(gè)光子都被發(fā)送到了第三個(gè)地點(diǎn)。在第三個(gè)地點(diǎn)他們讓這兩個(gè)光子糾纏，這就導(dǎo)致了與光子相糾纏的兩個(gè)電子也處于糾纏態(tài)。 這個(gè)過(guò)程并不是每次都能取得成功。在9天內(nèi)，該小組總共產(chǎn)生了245對(duì)互相糾纏的電子，最終測(cè)量結(jié)果表明兩個(gè)電子之間的相干性超過(guò)了貝爾極限，再一次支持了標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的觀點(diǎn)，否定了愛(ài)因斯坦的隱變量理論。不僅如此，由于電子很容易檢測(cè)，探測(cè)漏洞就不是問(wèn)題了，而兩個(gè)電子之間的距離又足夠遠(yuǎn)，也填補(bǔ)了通信漏洞。 “這真是個(gè)精巧而優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)?！本S也納大學(xué)的量子物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）說(shuō)道。 “如果幾年后這篇論文的作者與首次進(jìn)行貝爾實(shí)驗(yàn)的阿斯佩等人得了諾貝爾獎(jiǎng)，我一點(diǎn)都不會(huì)感到驚訝，”加拿大圓周理論物理研究所（Perimeter Institute）的量子物理學(xué)家馬修·萊費(fèi)爾（Matthew Leifer）說(shuō)，“這真是太激動(dòng)人心了?！?/p> 萊費(fèi)爾還說(shuō)，一個(gè)沒(méi)有漏洞的貝爾檢測(cè)對(duì)量子加密技術(shù)也有深遠(yuǎn)意義。已經(jīng)有很多公司在出售使用量子力學(xué)原理來(lái)阻止偷聽(tīng)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生處于糾纏態(tài)的光子對(duì)，將其中一個(gè)光子發(fā)送給第一個(gè)用戶，另一個(gè)光子發(fā)送給第二個(gè)用戶，這兩個(gè)用戶就能將光子轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥兴麄儌z知道的密鑰。由于觀測(cè)任意量子系統(tǒng)都會(huì)破壞它們的特性，因此一旦有人試圖偷聽(tīng)這個(gè)過(guò)程，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的效應(yīng)，觸發(fā)警報(bào)。 但如果這樣的系統(tǒng)存在漏洞，尤其是觀測(cè)漏洞，更為狡猾的偷聽(tīng)者就能找到途徑偷聽(tīng)到信息。使用這種漏洞，惡意的公司就能售賣(mài)一些所謂的“量子糾纏加密系統(tǒng)”，讓用戶以為他們的粒子處在糾纏態(tài)，而事實(shí)上公司可以暗中監(jiān)視他們的信息。1991年，量子物理學(xué)家阿圖爾·?？颂兀ˋrtur Ekert）提出，在加密技術(shù)中使用貝爾測(cè)試，可以確保這個(gè)系統(tǒng)中的過(guò)程是完全量子性質(zhì)的。然而為了達(dá)到這一目的，貝爾測(cè)試必須掃除一切黑客可能利用的漏洞，而代爾夫特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)則最終證明了量子加密技術(shù)可以做到完全安全。 不過(guò)，身為日內(nèi)瓦一家量子加密公司（名為ID Quantique）的領(lǐng)導(dǎo)者，吉辛也指出，糾纏交換這種想法在現(xiàn)實(shí)中會(huì)很難實(shí)現(xiàn)。該研究組花了一個(gè)多星期才產(chǎn)生了幾百個(gè)糾纏電子對(duì)，而一個(gè)量子密鑰就需要每分鐘處理幾千比特的數(shù)據(jù)。 蔡林格也指出最后可能還存在著一個(gè)哲學(xué)層面上的漏洞，是貝爾自己最先發(fā)現(xiàn)的：有可能愛(ài)因斯坦的“隱變量”仍然存在，并操縱了實(shí)驗(yàn)者對(duì)測(cè)量何種性質(zhì)的選擇，誘使他們相信量子理論是正確的。 然而萊費(fèi)爾倒不怎么擔(dān)心這個(gè)“自由選擇漏洞”。他說(shuō)：“可能存在著某種‘超決定論’，在宇宙大爆炸時(shí)期就決定了所有的測(cè)量選擇，但這種想法是無(wú)法證偽的，所以我想大多數(shù)物理學(xué)家都不會(huì)為它所困擾?！?/p> 原文鏈接： http://www./news/quantum-spookiness-passes-toughest-test-yet-1.18255
|
|
|
來(lái)自： 小磯 > 《待分類(lèi)》
