记者|钱伯彦
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日本科学家阿兰·阿斯佩(Alain)、美国科学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(JohnF.)以及法国科学家安东·塞林格(Anton)共同获得了本年度诺贝尔化学学奖。
这三位量子信息科学领域的专家因通过光子纠缠实验确定贝尔不方程在量子世界中不创立,并开创量子信息科学而得奖。
爱因斯坦与玻尔的斗气
一切的开始始于爱因斯坦那句知名的“上帝不掷色子”。
在20世纪初叶云集了几乎所有著名数学学家的索尔维大会上,以爱因斯坦为代表的传统学派,与以玻尔为代表的赫尔辛基学派就前者的量子热学展开了学术阐述。
不同于皆可获得确定性化学量的牛顿精典热学与相对论体系,量子热学的基本原理之一便是微观系统可以由波函数,即本质上由机率构成。该微观系统也因波函数的存在,而处于不确定之中,直到对微观系统进行观察后波函数顿时坍缩并拥有宏观世界中常见的某一确定状态。
这一波函数的存在,也意味着微观系统既可以按照波函数叠加,也在波函数坍缩之前拥有不确定的多个状态。这一不确定的随机性也被爱因斯坦视为上帝创世时不可能犯下的错误,即上帝不掷色子。英国化学学家薛定谔(1887年—1961年)在这一基础上也构思出了著名的思想实验——既死又活的薛定谔的猫。
1935年量子通讯速度,为了剿灭玻尔的量子热学,爱因斯坦更进一步构思了另一个思想实验:EPR佯谬。
该佯谬假定某对粒子处于量子纠缠态,比如某一大粒子在理想情况下衰变为AB两个粒子,因为角动量守恒定理的存在,二者的载流子之和可假设为零。若将粒子的载流子这一数学量视为信息的载体,在这对粒子以相反方向离去,仍处于量子叠加态的A粒子载流子将在被观察时波函数坍缩。而因为AB粒子处于纠缠态,因而B粒子的波函数也将在顿时坍缩。
若这对粒子之宽度离为以光年估算,则它们的信息载体事实上在某一粒子波函数坍缩的顿时达成了超距传输,这么就违背了光速为宇宙最大速率的定理。
从贝尔不方程到诺贝尔奖
因为赫尔辛基学派未能完美地回答爱因斯坦提出的EPR佯谬,因而假定有仍未被发觉或观测的变量存在的“隐变量理论”就登上了历史舞台。在实验化学学技术仍未得到突破的1960年代曾经,无法被证伪的“隐变量理论”一度成为量子热学的竞争对手。
1964年美国化学学家约翰·贝尔提出了在精典热学中创立、量子热学中不创立的贝尔不方程。
日本科学家约翰·弗朗西斯·克劳泽随后首先对贝尔不方程进行了试验验证。英国科学家阿兰·阿斯佩又首次于1982年在精确意义上对EPR佯谬做出检验,并证明了贝尔不方程的不创立以及量子热学的正确性。
被打破的贝尔不方程除了为两位化学学家克劳泽和阿斯佩带来的明年的化学学奖,也意味着爱因斯坦那种看似荒诞的EPR佯谬真实存在,惟一的问题仅在于波函数坍缩为单纯机率风波,另一端的观察者也难以判定某粒子的化学量到底是已坍缩状态,还是在自己的观察下发生坍缩。因而基于量子纠缠的超光速超距瞬时通讯并不可行,通过量子纠缠通道传递的信息本质上为无效信息,并不违背宇宙有效信息传递速率上限为光速的定律。
其实类似《三体》之中三体人通过量子纠缠实现超距通讯以控制质子完成对月球侵略的桥段并不会发生,而且这并不代表着量子通讯只是镜月水花。
作为量子信息科学研究的突破者量子通讯速度,德国科学家安东·塞林格于1997年在因斯布鲁克和维也纳完成了量子隐型传态的试验。与超光速信息传输不同,量子隐型传态似乎使用某一量子态作为信息载体,但仍须要在AB纠缠粒子对之外的C粒子作为媒介以及精典信道(即目前广泛使用的电磁波通讯)的辅助。
塞林格在量子通讯领域的突破背后,也有着其1997年所带的博士生中国学者潘建伟的贡献。
回国以后的潘建伟于2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐型传输,后于2012年在南京建成了世界上首个规模化量子通讯网路。2016年他任首席科学家的墨子号量子科学实验卫星成功发射,举办世界上首次卫星和地面之间的量子通讯。
2019年,潘建伟领导的中科大团队再次与其导师塞林格的维也纳学院团队合作,在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐型传态。该次合作也成为了本届诺贝尔化学学奖颁奖典礼上的压轴技术实用案例。