◇　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年國家自然科學一等獎賞析

◇北京程 帥劉 銘何 龍

2016年1月8日,潘建偉院士及其團隊無疑成為中國科學界最閃耀的明星.當天,由潘院士帶隊的中國科學技術大學研究團隊奪得了國家自然科學一等獎,也是我國自然科學領域的最高獎項．而讓他們獲此殊榮的項目名稱為“多光子糾纏和干涉度量學”,聽起來莫測高深,光子和光子居然也會“糾纏”在一起.當然此“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

愛看科幻劇的同學們也許會注意到,“量子糾纏”這樣一個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:一只小貓被關進裝有毒氣觸發(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,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針轉還是逆時針轉．假設2個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,一個在地球,一個在月球,沒有傳輸線相連,如果你在某個時刻觀測到其中一個電子在順時針旋轉,那么另一個在同一時刻必定是在逆時針旋轉．換句話說,如果你對其中一個粒子進行觀測,那么你不止是影響了它,你的觀測也同時影響了與它“糾纏”在一起的伙伴,而且這與2個粒子間的距離無關．2個粒子的這種怪異的遠距離連接,愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”,即“量子糾纏”．

事實上,利用量子糾纏實現(xiàn)“瞬間移動”的實驗早就在非洲加那利群島的海岸邊進行了．維也納大學的實驗物理學家安東·蔡林格是實驗的主持者,他認為那里有2座天文臺,實驗環(huán)境很優(yōu)越．當然,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)膶嶒炇抑兄圃斐鲆粚m纏的光子,將其一留在拉帕爾瑪,另一個則用激光發(fā)送到140km外的特內(nèi)里費島上．接著有意思的實驗正式開始了,蔡林格追加了第3個光子,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,科研團隊竟然可以在遠方島上利用另一枚糾纏態(tài)光子轉化生產(chǎn)與第3個光子相同的東西,仿佛第3個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,然后在遠方重建它．”使用這種技術,蔡林格已經(jīng)成功傳送了幾十個光子．

當然,這一實驗達到的效果與人體等宏觀物體的“瞬間移動”還相差甚遠,但其影響力不可不謂之深遠．不過,我們依然要清楚地意識到,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.若有一天真的實現(xiàn)了人體的超距糾纏傳輸,將構成你身體的幾百萬兆個粒子中的信息傳送到遠端重建,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,其實就是通過干涉度量的方法實現(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個光子通過在偏振分束器(PBS)上的一次干涉,就可以形成一個糾纏態(tài)|HH〉+|VV〉(即當o光子是H偏振時,e光子一定也是H偏振,反之當o光子是V偏振時,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

當然,對于量子信息處理尤其是光量子計算的需求,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,擴展到更高級數(shù),理論上就可以形成更多光子糾纏．但在實際的實驗搭建過程中,隨著糾纏光子數(shù)目的增多,要求干涉和測量的系統(tǒng)也就越復雜,一般來說每增加1個糾纏光子,光學干涉系統(tǒng)就要復雜1倍,糾纏態(tài)光子產(chǎn)生的難度也會隨著光子數(shù)指數(shù)上升．而潘建偉院士團隊從2004年開始,就通過一個個在國際上原創(chuàng)的多光子干涉和測量技術,保持著糾纏光子數(shù)的世界紀錄．2004年在世界上第一個實現(xiàn)了5光子糾纏,2007年在世界上第一個實現(xiàn)了6光子糾纏,2012年在世界上第一個實現(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)是怎樣的復雜、精巧,而又困難重重!

圖4　實現(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,世界頂級科學學術雜志《自然》就曾指出:“在量子通信領域,中國用了不到10年的時間,由一個不起眼的國家發(fā)展成為現(xiàn)在的世界勁旅,必將領先于歐洲和北美．”

(作者單位：清華大學附屬中學永豐學校)