塞林格谈神秘的量子世界

作者: Anton Zeilinger

来源: 转自公众号:墨子沙龙

发布日期: 2021-08-30 19:08:18

本文介绍了量子物理学家Anton Zeilinger在量子物理和量子信息方面的研究,包括量子隐形传态、量子纠缠、量子密码学等概念,以及中国在远距离量子通信领域的领先地位。

Anton Zeilinger:量子物理学家,长期从事量子物理和量子信息方面的前沿研究,是国际上量子物理基础检验和量子信息的先驱。1997年,他和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成为量子信息实验领域的开山之作。

他还与合作者提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态;在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验;进行量子力学非定域性检验……因其杰出贡献,塞林格荣获了众多重要奖项,包括2007年度艾萨克·牛顿奖、2010年度沃尔夫物理学奖、2019年度墨子量子奖等。

大约从20世纪70年代开始,人们开始在实验上深入探索量子世界,思考这个世界是否真的如此奇妙。当时并不是为了应用而进行实验,新生的婴儿又能做什么呢?所以,我们之中的一些人在20世纪70年代和80年代早期所做的工作并没有什么实际用处,而后来我们却收获了惊喜。这是我生命中最大的惊喜之一,我确信这样的事情还会再发生。

相信大家对量子物理的一些基本概念已经有所了解了。我想从另外的角度来讨论这些概念。你们闲暇时可以思考一下这些与众不同的观念,也许会对你有所帮助。

01从双缝实验说起

这幅图是尼尔斯·玻尔所绘画的双缝实验装置。玻尔是一名丹麦的理论物理学家,关于量子力学,他和爱因斯坦有过激烈的讨论,大家一定听说过这些故事。

02量子纠缠

1935年,爱因斯坦和波多尔斯基(Boris Podolsky)、罗森(Nathan Rosen)一起发表了一篇文章,题目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?”(“量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗?”)。这就是著名的EPR文章。

在文章中他们提出,如果有两个粒子,它们相互作用后分开,这样就会出现对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的情况。爱因斯坦不喜欢这种事情,并且将其称为“幽灵般的超距作用”。

03量子密码学

现在我们开始讨论量子密码学。量子密码学有趣的地方是,两个人用经典的信道来交换信息,然后他们使用量子信道来建立秘钥。你可以让窃听者操作所有的信道,但只要你操作正确,就算是Makarov教授(注:一位著名的量子黑客)来做信道攻击,你仍然是完全安全的,窃听者无法获得任何信息。

04量子隐形传态

量子隐形传态(quantum teleportation),这是一种奇特的量子现象,你们或许听过它。在科幻作品中,量子隐形传态大概就是大喊一声:“Scotty,传送我”(注:《星际迷航》中的经典台词)。那你们知道为什么在电影中会这么拍吗?电影中这么拍是为了节省制作成本!一艘飞船到达地面,你看着它着陆,拍摄这样的场景是很贵的。但是拍摄一束光把人传过去的场景就不贵了。

05未来可以做什么

中国在远距离量子通信领域已经领先于世界。通过“墨子号”量子卫星以及上海和北京之间的量子“京沪干线”,他们在千公里级距离上实现了纠缠分发和量子通信。全球性量子网络的远景也很令人振奋:地面上,我们有局域网,通过空气和光纤来传播光子;然后建立地面和量子卫星的联系,从而把信号传到世界上任何一个地方。

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