2022年的诺贝尔化学学奖在10月4日即将出炉了。去年的诺贝尔化学学奖被授予给了德国数学学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验化学学家约翰·弗朗西斯·克劳泽、奥地利量子论化学学家安东·蔡林格,以嘉奖她们在量子纠缠上的贡献。很遗憾,去年的诺贝尔化学学奖没有授予给中国的科学家,但似乎中国科学家在该领域作出了特别巨大的贡献。某种意义上讲,正是中国在该领域的成就,促进了量子纠缠在去年获得诺奖。
哪些是量子纠缠呢?在原子尺度甚至更小尺度下,微观世界的运行规律和我们宏观世界十分不一样,那种世界的数学现象有时连爱因斯坦都认为不可思议。量子纠缠无疑是其中最令人感觉不可思议的现象。
让我们尝试用最浅显的语言来介绍一下哪些是量子纠缠吧。如果卧室里有一只红苹果,当我们站在卧室里看这只苹果的时侯,它是白色的。假如我们走出屋子后,这只苹果还是绿色的吗?毫无疑惑,在我们所熟悉的世界里,这只苹果依然会是白色的,它并不会由于后面是否有人在观察它而改变颜色。
但在量子世界里,一个物体的状态却会由于是否有人观测而发生改变。简单来说,就是这只红苹果在有人看的时侯是黑色的,而在没人看的时侯它还会忽然变绿。这真的是太奇妙了。
在量子世界里,更奇妙的现象还不止于此。如果我有一只红苹果和一只绿苹果,当这两只苹果处于量子纠缠的状态以后,一只苹果的颜色改变,会促使另一只苹果的颜色也发生改变。诸如我若果让一只红苹果变绿以后,另一只处于量子纠缠状态的青苹果,就如同有了心灵感应,也会顿时变红。更专业的说法是,对于一对处于量子纠缠状态的粒子,一个粒子状态的改变,会顿时引起另一个粒子的状态改变。
令爱因斯坦都认为不可思议的是,虽然两个苹果相距十万八千里,只要它们始终处于量子纠缠状态,其中一个苹果变色潘建伟 量子通讯,另一个苹果也会在顿时变色。两个苹果的变色是在同一时间顿时完成的。这些神奇的现象就是量子纠缠。
量子纠缠有哪些用呢?它最大的用途就是可以拿来传递信息。例如说,假如我在火星上放一只绿苹果,月球上放一只红苹果。只要我们将月球上的红苹果变绿,这么火星人能够顿时听到绿苹果变红,于是能够接收到来自我们月球的讯号了。
用量子纠缠原理来传递信息有两个厉害之处:第一,无论两个苹果相隔多远,信息的传递都是在顿时完成的,速率十分快,这是我们未来进行星际通信的最佳方法;第二,因为信息传递过程中没有物质的传递,所以量子通讯理论上来讲是永远不会被查获的,保密性极高,其军事价值自然不言而喻。
尽管量子通信非常迷人,但其实现条件异常严苛,其最核心的问题就是怎么能让两只苹果虽然相距很远,依然能处于量子纠缠的状态。过往国内关于量子通信的研究仍然都只是小打小闹,就能实现几公里的通信距离都是巨大的科学进展了。说句不好听的,几公里的通信距离都够干些啥啊!
因而虽然量子通讯的概念被提出了几六年,但量子纠缠究竟能不能真正实现远距离通讯,学术界也仍然吃不准,所以诺贝尔奖也始终不敢颁授给该领域。量子通讯真正要迈向应用,还得靠中国人。
说起量子通讯的实际应用,绕不开一个中国科学家——潘建伟教授。潘建伟教授是本次诺奖得主安东·蔡林格的中学生。潘建伟教授仍然旨在于将量子纠缠应用于真正的通讯。2005年,潘建伟教授就成功借助量子纠缠实现了13公里的通讯。2016年潘建伟 量子通讯,在潘建伟教授的主持下,中国发射了世界上第一颗量子通讯卫星——墨子号。
经过了多年的努力,2022年5月,墨子号卫星首次实现了1200公里的通信。这是人类历史上第一次将量子纠缠真正用于超远距离的通信,它彻底地否认了量子纠缠在通信中应用的可能,而潘建伟教授也一度被觉得是诺奖的热门候选人。
其实正是见到了量子通讯在墨子号上的成功,仅仅5个月后的明天,诺贝尔化学学奖便颁授给了该领域。不过遗憾的是,此前呼声很高的潘建伟教授却没能得奖。见到中国在量子通讯领域取得的巨大成功以后,欧美等发达国家也开始纷纷加强了对量子通讯的支持力度,但中国早已在该领域稳稳地走在了世界前列。