跨越空間、超越光速，量子糾纏究竟有多神秘

席金合

2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學”方面的貢獻。這3位科學家很早就開展了量子物理實驗研究，為開辟量子技術新時代奠定了基礎。

什么是量子？什么又是量子糾纏？它們對我們的生活有什么用？

量子時代加速到來，人類正在經歷一場全面的革新。在這場革新中，中國科學家也正扮演著越來越重要的角色。2022年諾貝爾物理學獎研究成果雖無中國科學家之名，卻凝結著中國科學家的心血和汗水。

量子糾纏顛覆傳統(tǒng)世界

簡單地說，量子就是在不改變原本屬性前提下的最小體積物質；所謂量子糾纏，好比微觀世界中的“心靈感應”現(xiàn)象。1935年，愛因斯坦等人提出的EPR悖論認為，兩個曾經相互作用過的粒子，無論相距多遠，始終遙相“呼應”，共同保持互動狀態(tài)。比如兩個處于“糾纏態(tài)”但自旋方向相反的電子，即使它們分別位于銀河系兩側，只要一個自旋方向發(fā)生改變，另一個也同時隨之改變。

神奇吧！兩個電子似乎以某種方式極快地“互通消息”，達成默契，而且“互通消息”的速度還遠大于光速。只有所謂的“靈異事件”才會出現(xiàn)這種情況，這明顯違背相對論中光速不可超越的觀點，所以稱其為悖論。其實，這是因為當時科學的局限性，相互糾纏的粒子之間存在著讓人無法知道的相互作用或信息傳遞，也就是隱變量。

20世紀60年代，愛爾蘭實驗物理學家貝爾提出一個不等式可用來驗證量子糾纏。十幾年后，約翰·克勞澤率先完成了檢驗這個不等式的實驗。又過了很長時間，阿蘭·阿斯佩利用兩個光子完成更為精確和幾乎無漏洞的不等式實驗驗證。隨后，安東·蔡林格也完成了更多糾纏粒子的無漏洞不等式驗證。所有實驗結果均表明，神奇的量子糾纏確實存在！

科技史上又一次偉大的革命

對普通人來說，量子方面的問題高深莫測，但這門建立于20世紀初的前沿學科，確實開啟了人類科學史上又一次偉大的革命。

在保障信息安全、提高運算速度、增強測量精度方面，量子科技突破了經典技術的瓶頸，成為信息、能源、材料和生命等領域重大技術創(chuàng)新的源泉，為保障國家安全和支撐國民經濟高質量發(fā)展提供了核心戰(zhàn)略動力。

量子糾纏反映的是跨越空間的相互依賴性，正是這一點“縫合”了空間和時間這“兩張皮”，形成了一張“時空”網絡，使我們可以談論“時空”的一部分與另一部分的關系。不過，這種設想法仍是一幅具有高度推測性的理論圖景。

時空是愛因斯坦廣義相對論所描繪的四維結構，該理論表示它有特定的形狀。正是時空的形狀定義了引力：質量讓時空發(fā)生彎曲，彎曲的時空導致的物體運動，使引力得以顯現(xiàn)。長期以來，量子力學與廣義相對論所支持的引力理論如何協(xié)調一致，一直是個謎團，而量子糾纏或許正是解決這一謎團的關鍵。

目前，量子糾纏的這種詭異特性已被科學家巧妙運用于遠程通信技術。把兩個相關聯(lián)的粒子分開，讓一個攜帶著所要發(fā)送的信息，那么遠在千里之外的另一個粒子會出現(xiàn)同樣的反應；根據(jù)這種反應，就可知道對方所發(fā)的是什么信息。我國“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星就基于這種原理，并率先在國際上實現(xiàn)了星地量子通信。

科學研究事業(yè)不分國界

中國科學界也一直密切關注這一獲獎研究成果，因為在這項殊榮的背后，也凝結著中國科學家的心血和汗水。中國科學院院士潘建偉就曾作為安東·蔡林格的學生，參與了這項研究工作，為此作出重要貢獻。諾貝爾獎委員會在祝詞中就提到，安東·蔡林格的4篇量子通信實驗方面的論文，有2篇的第一作者是潘建偉，另2篇的第二作者也是他。

可見，對于這一獲獎成果，中國科學家功不可沒。說到這里，你可能會問：潘建偉為什么沒有在獲獎人員之列呢？有人認為，潘建偉的工作更多地傾向于應用，比起應用科學，諾貝爾獎更“偏愛”基礎科學。也有人認為，從科學研究跨國合作的角度看，許多科研成果并非哪一個人的功勞，都是在前人努力的基礎上，通過多方面長期合作而取得的，應為人類共同所有。所以，個人榮譽并不重要，只要我們能夠為之、并且成果為我們所用，才是最重要的。量子物理學實驗要經歷無數(shù)次失敗才能成功，是一個漫長而艱辛的過程，需要長時間的磨煉，也需要無數(shù)科研人員的參與。這次諾貝爾獎委員會還提到了另外3篇量子通信論文，它們都是中國科學家目前正在獨立研究的領域，已經初見成效。

中國量子科技成就卓著

中國高度重視發(fā)展量子信息技術，并突破了一系列重要難題和關鍵核心技術，取得了一批具有國際影響力的研究成果。

量子通信的目標是建立全球廣域量子通信體系，利用光纖構建城域量子通信網，通過中繼器溝通城市之間的聯(lián)絡，借助衛(wèi)星平臺中轉實現(xiàn)遙遠區(qū)域間的信號交流。目前，我國建成了國際上首條遠程光纖量子保密通信骨干網——京滬干線，在金融、政務、電力等領域開展保密通信技術驗證與應用示范。同時，前面提到的“墨子號”是世界上第一顆量子科學實驗衛(wèi)星，并首次實現(xiàn)洲際量子通信，充分驗證了基于衛(wèi)星平臺實現(xiàn)全球化量子通信的可行性，成果居于國際領先地位。

當前，量子計算研究也已實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”，也就是量子計算機的計算能力超越傳統(tǒng)超級計算機。2020年，潘建偉團隊研制的量子計算原型機——“九章”，繼美國谷歌“懸鈴木”量子計算機之后，把全球量子計算的前沿研究推向新的高度。這是我國首次實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”的里程碑式突破，與發(fā)達國家處于同一水平。此外，在量子精密測量方面，我國與發(fā)達國家的差距也在迅速縮小，有的研究成果與國際最高水平相當。