|
2022年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了三位科學(xué)家，美國的克勞澤（John F. Clauser）、法國的阿斯佩（Alain Aspect）、奧地利的塞林格（Anton Zeilinger），理由是“因為用糾纏光子做的實驗，確認了貝爾不等式的違反和開創(chuàng)了量子信息科學(xué)”（for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science）。普通讀者可能會迷惑，這說的是啥？但同時，媒體廣泛報道了塞林格就是中國著名量子信息科學(xué)家潘建偉的博士導(dǎo)師，這是所有人都能看明白的。那么大家又會問，中國對量子信息的貢獻有多大？以后中國科學(xué)家會不會因此得到諾貝爾獎？在這里，我就簡短地向大家介紹一下。  2022年諾貝爾物理學(xué)獎 （https://www./prizes/physics/2022/summary/） 首先，有一個最基本的詞是“量子”。這是因為有一個物理學(xué)理論叫做量子力學(xué)，它是當(dāng)今物理學(xué)的兩大基礎(chǔ)理論之一，跟相對論并列。半導(dǎo)體、激光、發(fā)光二極管、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等現(xiàn)代技術(shù)，都是量子力學(xué)的成果。甚至可以說，所有的電器都用到了量子力學(xué)，因為導(dǎo)電性必須要用量子力學(xué)才能解釋。  理解導(dǎo)電性，必須要用量子力學(xué)推出的能帶理論 量子力學(xué)出現(xiàn)以后，人們就把日常生活中的理論即牛頓力學(xué)又稱為經(jīng)典力學(xué)。所以現(xiàn)在量子和經(jīng)典常常作為一對形容詞，例如量子計算機對經(jīng)典計算機。 量子力學(xué)的重要性在于，它是描述微觀世界的本質(zhì)理論。當(dāng)我們深入到分子、原子以及更小的尺度時，就發(fā)現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)總是錯誤的，量子力學(xué)總是正確的。而在描述宏觀世界的時候，量子力學(xué)就會簡化為經(jīng)典力學(xué)，所以經(jīng)典力學(xué)正確的地方量子力學(xué)總是正確的。這就是兩者的關(guān)系。 這次諾貝爾獎的成果，歸根結(jié)底是解決了一個基本世界觀的問題：一個物理量在測量之前是不是必然有一個確定的值？ 乍看起來，這完全不是個問題。你要測一個物理量，當(dāng)然是有一個確定的值在那里等著你去測！這還用問嗎？這就是經(jīng)典的世界觀。正如一首著名的詩：“你見，或者不見我，我就在那里?！?/span>  《班扎古魯白瑪?shù)某聊?/span> （很多人以為這首詩是倉央嘉措寫的，其實并不是，是當(dāng)代女詩人扎西拉姆·多多即談笑靖寫的） 然而，量子力學(xué)的世界觀卻不是這樣。量子力學(xué)是明確地告訴大家，一個物理量在測量之前并不一定有確定的值，這取決于測量的設(shè)置。對某些狀態(tài)和某些物理量，確實有一個確定的值，在這種情況下測量這個量必然會得到這個值，這就和經(jīng)典的情況一樣。然而在其他一些狀態(tài)下，測量這個量就不會得到確定的結(jié)果，而是會概率性地得到若干個可能的結(jié)果之一。量子力學(xué)能夠預(yù)測這些可能的結(jié)果是什么以及它們出現(xiàn)的概率，但不能預(yù)測單次測量的結(jié)果。 比如說，量子力學(xué)可能會告訴你，某個體系的某個性質(zhì)取0和取1的概率各占一半。這話的意思是，制備很多同樣的體系，去測量這個性質(zhì)，比如說測一萬次，那么會有五千次左右得到0，五千次左右得到1。在這個層面上，量子力學(xué)預(yù)測得很準。但如果你只做一次測量，問這次會得到什么？量子力學(xué)就會告訴你無法預(yù)測，我們唯一可預(yù)測的只是概率。 馬呂斯定律：一個偏振的光子通過與它的偏振方向成θ角的偏振片的概率是cos2θ，即θ = 0°時必然通過，θ = 90°時必然通不過，θ = 45°時一半概率通過，一半概率通不過 因此，量子力學(xué)在哲學(xué)上有一個驚人的后果：同一個原因可以得到不同的結(jié)果。換句話說，就是世界上存在真正的隨機性。而在經(jīng)典世界里，同一個原因必然得到同樣的結(jié)果。平時見到的隨機性，如擲硬幣，只是因為對初始條件了解得不夠多，實際上是偽隨機。這是兩者一個本質(zhì)的區(qū)別。 表現(xiàn)這種區(qū)別的最典型的體系，就是“糾纏態(tài)”，這是一種兩粒子或更多粒子的狀態(tài)。很多人可能都聽說過這個概念，并聽說過這樣的比喻：有兩個球，一黑一白，把兩個球分別寄給兩個人。如果你打開盒子發(fā)現(xiàn)你收到的是黑球，那么你立刻就知道了另一個人收到的是白球。很多人可能覺得，這就是量子糾纏。  量子糾纏 但實際上，這個類似開盲盒的比喻遺漏了一個重點。在這個比喻中，球是黑是白是早就確定的，這是經(jīng)典的世界觀。但在量子糾纏中，測量結(jié)果是不確定的！諾貝爾獎委員會為此畫了一幅漫畫，來表現(xiàn)兩種世界觀的區(qū)別。在量子糾纏中，球在測量之前既不是黑的也不是白的，可以認為它是灰的。直到你測量的一瞬間，這個灰球才突然變成了黑球或白球，兩者的概率各占一半。同時你就知道了另一個球的顏色，你的測量同時確定了兩個球的顏色。這才是量子糾纏，它比開盲盒奇妙得多。  諾貝爾委員會介紹中使用的“黑球白球”例子 （https://www./prizes/physics/2022/press-release/） 到這里為止，你可能會感到這些雖然很有趣，但無法實驗驗證。無論球在測量之前有沒有確定的顏色，測量之后它不就確定了嗎？這能看出什么差別？ 事實上，量子糾纏是愛因斯坦和他的兩位助手波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）在1934年提出來的，目標(biāo)是駁倒量子力學(xué)，因為他們認為這是荒謬的。而另一位大科學(xué)家玻爾（Niels Henrik David Bohr）為此跟愛因斯坦進行過長期的辯論。但在大多數(shù)科學(xué)家看來，這只是空對空的哲學(xué)爭論，因此并不關(guān)注。  玻爾與愛因斯坦 然而，六十年代北愛爾蘭科學(xué)家貝爾（John Stewart Bell）指出一件石破天驚的事：這個區(qū)別實際上是可以檢驗的！他提出了一個不等式，把各種可能的測量結(jié)果的概率加加減減，只要這些待測的量在測量之前就有確定值，那么這些概率的這種組合的結(jié)果就必然有個上限，這就是貝爾不等式（Bell’s inequality）。但存在某些量子的糾纏態(tài)，使得這些概率的組合超過這個上限。因此，人們可以做實驗去檢驗貝爾不等式。假如發(fā)現(xiàn)這個不等式不成立，就說明經(jīng)典的世界觀是錯誤的，量子的世界觀才是正確的。 貝爾與貝爾不等式 這次的三位獲獎?wù)撸甲隽藱z驗貝爾不等式的工作。1972年，克勞澤和弗里德曼（Stuart Freedman）首次做了這樣的實驗，發(fā)現(xiàn)確實違反貝爾不等式，量子力學(xué)是對的。但他們的實驗還比較粗糙，人們可以說，如果大自然鐵了心要作弊，是有漏洞可鉆的。例如他們的兩個探測器之間離得比較近，只有3米（  弗里德曼以及他和克勞澤檢驗貝爾不等式的實驗裝置 順便說一句，弗里德曼就是我的同事、科大少年班學(xué)院院長盧征天教授的博士導(dǎo)師。他原本有希望獲得諾貝爾獎，但在2012年意外去世，沒能等到今天。實際上他是1944年生的，比克勞澤還小兩歲。兩人合作時，弗里德曼是博士生，克勞澤是博士后。以前我和很多人都只知道阿斯佩在八十年代初做了檢驗貝爾不等式的實驗，不知道弗里德曼和克勞澤在七十年代就做過，他們倆才是最早的，這是去年盧征天告訴我的信息。沒想到過了一年之后，諾貝爾獎就授予了他們的工作。弗里德曼泉下有知，也該感到欣慰了！  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班學(xué)院，左側(cè)個子最高的就是院長盧征天教授（ 到這里為止，很多人可能會覺得，這些成果只是在世界觀層面非常重要，但跟現(xiàn)實生活似乎沒有關(guān)系。然而實際上，這個世界觀的變化會帶來很多實實在在的技術(shù)。這就是諾貝爾獎頒發(fā)理由中說的量子信息，其實現(xiàn)在媒體報道的量子科技十有八九指的就是量子信息。它是二十世紀八十年代以來量子力學(xué)與信息科學(xué)嫁接出現(xiàn)的一門新學(xué)科，有望實現(xiàn)許多傳統(tǒng)信息技術(shù)無法實現(xiàn)的效果。例如，傳送術(shù)。 是的，傳送術(shù)現(xiàn)在是一個真實的技術(shù)，它的專業(yè)名稱叫做量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）。  《星際迷航》中的傳送術(shù) 不過我們需要立刻說明一下，我們現(xiàn)在還不能傳送一個人，能傳送的是一個粒子。具體而言，它是利用一對糾纏粒子1和2，把3號粒子的未知狀態(tài)傳給2號粒子，同時3號粒子的初始狀態(tài)就改變了。  量子隱形傳態(tài)原理 好比一邊有輛汽車，另一邊有堆汽車零件，實驗結(jié)果是把汽車的狀態(tài)傳了過去，讓汽車零件組裝成一輛汽車，但原來那輛汽車就解體了。所以這是狀態(tài)的傳送而不是復(fù)制，你永遠都不會得到兩輛相同的汽車。在我的科普書《量子信息簡話》中詳細介紹了這些原理，并且說到，在所有的量子信息技術(shù)中最富有科幻色彩的可能就是量子隱形傳態(tài)。 《量子信息簡話》 量子隱形傳態(tài)的理論方案是1993年提出的，1997年塞林格的研究組第一次實現(xiàn)了它，其中潘建偉就是第二作者。在諾貝爾獎網(wǎng)站的介紹材料中，還提到了很多量子信息的新成果，如“墨子號”衛(wèi)星實現(xiàn)天地之間的量子保密通信（跨越4600公里，中國量子通信全球領(lǐng)先，歐美多久才能追上？| 袁嵐峰），通過“墨子號”發(fā)送的糾纏對實現(xiàn)兩個相距1200公里的地面站之間的量子隱形傳態(tài)（全世界科學(xué)家都想做的實驗，中國科學(xué)家首先成功了 | 科技袁人），這些都是中國科學(xué)家的成就。 量子信息是現(xiàn)在所有科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展最蓬勃的之一，具體分為量子通信、量子計算和量子精密測量三大部分，有望實現(xiàn)無條件安全的保密傳輸、前所未有的計算能力、前所未有的探測精度等等。因此，量子信息又被稱為第二次量子革命，跟以前帶來半導(dǎo)體、激光等技術(shù)的第一次量子革命相對。目前在量子通信方面中國走在世界最前列，在量子計算方面跟美國并列第一方陣，在量子精密測量方面還有不小差距，不過進步迅速。  量子信息的三個分支 因此，這次諾貝爾獎的成果中已經(jīng)有不少中國科學(xué)家的貢獻。以后如果我們?nèi)〉酶蟮某晒缃ǔ扇蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，或者造出有實用價值的量子計算機，或者用量子精密測量技術(shù)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，獲得諾貝爾獎也是完全有可能的。當(dāng)然，這些成果的價值遠遠不只是諾貝爾獎了。也許，你就會做出關(guān)鍵貢獻。 |
|
|
