2022诺奖背后，量子纠缠开启量子通信

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2022诺奖背后，量子纠缠开启量子通信

根新未来

· 13分钟前

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今年的诺贝尔物理学奖授予这三名物理学家，既是因为他们的先驱研究为量子信息学奠定了基础，也是对量子力学和量子纠缠理论的承认。

2022诺奖背后，量子纠缠开启量子通信

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图片来源@视觉中国

文 | 陈根未来，作者 | 陈根

北京时间 10 月 4日17 时 45 分，2022 年诺贝尔物理学奖公布，授予法国学者阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），美国学者约翰·克劳泽（John Clauser）和奥地利学者安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不等式，开创量子信息科学”。

今年的诺贝尔物理学奖授予这三名物理学家，既是因为他们的先驱研究为量子信息学奠定了基础，也是对量子力学和量子纠缠理论的承认。而展望未来，量子纠缠最为诱人的应用就是量子计算机和量子通信，其中包括量子信息、量子加密、量子传输等等，量子时代正在加速到来，人类也将经历一场全面的革新。

“幽灵般的超距作用”

此次获奖的核心，就在于“量子纠缠”。

通俗而言，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着他们，这种神奇现象可谓“心灵感应”。

与此类似，量子纠缠则是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在纠缠关系，这两个纠缠在一起的粒子就好比是一对有心电感应的双胞胎，不论两人距离多远，千米量级或者更远，只要当其中一个人的状态发生变化时，另一个人的状态也会跟着发生一样的变化。也就是说，不管这两个粒子距离多远，只要一个粒子的状态发生变化，就能立即使另一个粒子的状态发生相应变化。

不过，在更早以前，量子纠缠并不是一个被认同的存在。爱因斯坦和玻尔都是量子力学的开创者和奠基人，但他们对量子理论的诠释却是各执己见，针锋相对。其中，爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括。爱因斯坦强调量子力学不可能有超距作用，意味着他坚持经典理论的“局域性”。

爱因斯坦认为：经典物理中的三个基本假设——守恒律、确定性和局域性，局域性应当是经典力学和量子力学所共有的。其中，守恒律指的是一个系统中的某个物理量不随着时间改变的定律，包括能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。确定性说的则是从经典物理规律出发能够得到确定的解，例如通过牛顿力学可以得到物体在给定时刻的确定位置。

局域性也叫作定域性，即认为一个特定物体只能被它周围的力影响。也就是说，两个物体之间的相互作用，必须以波或粒子作为中介才能传播。根据相对论，信息传递速度不能超过光速，所以，在某一点发生的事件不可能立即影响到另一点。因此，爱因斯坦才会在文章中将两个粒子间瞬时的相互作用称为“幽灵般的超距作用”。值得一提的是，量子理论之前的经典物理也都是局域性理论。

实际上，早在1935年，爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》，后人称之为EPR文章，EPR即是三人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论，爱因斯坦认为，一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

与爱因斯坦的观点不同，玻尔则认为，爱因斯坦总是将观测手段与客观世界截然分开，这是不对的。以玻尔为代表的哥本哈根学派认为观测手段会影响结果，微观的实在世界只有与观测手段一同被考虑才有意义。在观测前谈论每个粒子的状态如何没有任何实际意义。并且，因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体，因此，只有用波函数描述的整体才有意义，人们不能将它们视为相隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体，它们之间便无须传递什么信息。

也就是说，EPR佯谬只不过表明了两种哲学观——爱因斯坦的“经典局域实在观”和哥本哈根学派的“量子非局域实在观”的根本区别。

为量子纠缠正名

虽然EPR佯谬中的思想实验并没有达到爱因斯坦的目的，但它却开创了一小块新的领域，为后来的科学家提供了思路，促进了科学的发展。不管究竟应该如何解读量子纠缠，后来的科学家通过实验验证，证实了这种“纠缠”现象的确存在。

物理学家约翰·惠勒是提出用光子实现纠缠态实验的第一人。1946年，约翰·惠勒指出，正负电子对湮灭后生成的一对光子应该具有两个不同的偏振方向。不久后，1950年，吴健雄和沙科诺夫发表论文宣布成功地实现了这个实验，证实了惠勒的思想，生成了历史上第一对偏振方向相反的纠缠光子。

具体来看，光是一种波动，并且有其振动方向，就像平常见到的水波在往前传播的时候，水面的每个特定位置也在上下振动一样，上下就是水波的振动方向。一般的自然光由多种振动方向的光线随机混合在一起，但让自然光通过一片特定方向的偏振片之后，光的振动方向便被限制，成为只沿某一方向振动的“偏振光”。

比如，偏振式太阳眼镜的镜片就是一个偏振片。偏振片可以想象成是在一定的方向上有一些“偏振狭缝”，只能允许在这个方向振动的光线通过，其余方向的光线大多数被吸收了。

实验室中，科学家们可以使用偏振片来测定和转换光的偏振方向。光线可以取不同的线性偏振方向，相互垂直的偏振方向可类比于电子自旋的上下，因此，对用自旋描述的纠缠态稍做修正，便对光子同样适用。

也就是说，如果偏振光的振动方向与偏振片的轴一致，光线就可以通过；如果振动方向与检偏垂直，光线就不能通过。如果两者成45°角，就会有一半的光通过，另一半不能通过。不过，在量子理论中，光具有波粒二象性，并且，在实验室中完全可以使用降低光的强度的方法，让光源发出一个个分离的光子。

要知道，单个光子也具有偏振信息。对于单个光子来说，进入检偏器后只有“通过”和“不过”这两种结果，因此，在入射光子偏振方向与检偏方向成45°角时，每个光子有50%的概率通过，50%的概率不通过。而如果这个角度不是45°是一个别的角度，通过的概率也将是另外一个角相关的数。

这意味着，光子既可以实现纠缠，又携带着偏振这样易于测量的性质，因此，科学家们完全可以用它们来设计实验，检验爱因斯坦提出的EPR佯谬。不过能在实验中检验量子纠缠，最初还要归功于贝尔不等式的提出。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）提出了以他名字命名的数学不等式——贝尔不等式。贝尔提出，如果存在隐藏变量，大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。

获奖者之一的克劳瑟教授，就发展了约翰·贝尔的想法，并进行了一个实际的量子纠缠实验：约翰·克劳泽建造了一个装置，一次发射两个纠缠光子，每个都打向检测偏振的滤光片。1972年，他与博士生斯图尔特·弗里德曼一起，展示了一个明显违反贝尔不等式的结果，并与量子力学的预测一致。用实验检验贝尔不等式，根本目的在于验证量子系统中是否存在隐变量，即检验量子力学到底是定域的，还是非定域的。

但克劳瑟实验仍然存在一些漏洞——局限之一是，该实验在制备和捕获粒子方面效率低下。而且由于测量是预先设置好的，滤光片的角度是固定的，因此存在漏洞。随后，阿斯佩教授进一步完善了这一实验，他在纠缠粒子离开发射源后，切换了测量设置，因此粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。

此外，通过精密的工具和一系列实验，塞林格教授开始使用纠缠态量子。他的研究团队还展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象，这使得量子在一定距离内从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

从贝尔不等式的提出，到克劳泽等的第一次实验，再到后来对于漏洞的补充和验证至今，已经过去了50多年。所有的这些贝尔测试实验都支持量子理论，判定定域实在论是失败的。

量子纠缠开启量子通信

三位物理学家长期对于量子力学的研究工作，最终为量子纠缠正了名，而这对现代科技的意义却是不容小觑的。

量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。量子通信指的主要是加密以及密码的传送方式是量子的，信息的具体通信方式仍然是经典的。换言之，量子通信需要借助经典和量子两个通道：量子通道负责产生和分发量子密钥，经典通道负责传递用量子密钥加密后的真实信息。

保密和窃密的举动自古有之，“道高一尺，魔高一丈”，两者间永远进行着不停升级的智力战争。人们不断研发现代保密通信技术，不仅是为了保护个人隐私，也是为了商业、政治之间的信息保密。

然而，密码总存在被破译的可能，尤其是在量子计算出现以后，采用并行运算，对当前的许多密码进行破译几乎易如反掌。

具体来看，在密码学中，需要秘密传递的文字被称为明文，将明文用某种方法改造后的文字叫作密文。将明文变成密文的过程叫加密，与之相反的过程则被称为解密。加密和解密时使用的规则被称为密钥。现代通信中，密钥一般是某种计算机算法。

对称加密技术中，信息的发出方和接收方共享同样的密钥，解密算法是加密算法的逆算法。这种方法简单、技术成熟，但由于需要通过另一条信道传递密钥，所以难以保证信息的安全传递——一旦密钥被拦截，信息内容就暴露了。由此才发展出了非对称加密技术。

在非对称加密技术中，每个人在接收信息之前，都会产生自己的一对密钥，包含一个公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。加密算法是公开的，解密算法是保密的。加密解密不对称，发送方与接收方也不对称，因此被称作非对称加密技术。从私钥的算法可以容易地得到公钥，而有了公钥却极难得到私钥。也就是说，这是一种正向操作容易、逆向操作非常困难的算法。目前常用的RSA密码系统的作用即在于此。

RSA算法是罗恩·里韦斯特（Ron Rivest）、阿迪·沙米尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德尔曼（Leonard Adleman）三人发明的，以他们姓氏中的第一个字母命名。该算法基于一个简单的数论事实：将两个质数相乘较为容易，反过来，将其乘积进行因式分解而找到构成它的质数却非常困难。

比如，计算17×37=629是很容易的事，但是，如果反过来，给你629，要你找出它的因子就困难一些了。并且，正向计算与逆向计算难度的差异随着数值的增大而急剧增大。对经典计算机而言，破解高位数的RSA密码基本不可能。一个每秒钟能做1012次运算的机器，破解一个300位的RSA密码需要15万年。

但这对于量子计算机却是非常轻易的事情，使用肖尔算法的量子计算机，只需1秒钟便能破解刚才那个300位的密码。可以说，在这个数据安全愈发人人自危的今天，量子通信的发展正在成为一种必然——量子通信的魅力就在于其可以突破现有的经典信息系统的极限，这在缺乏信息安全的当下，是极大的安全感，而这或许也是此次诺贝尔物理学奖会跨越快40年将奖项颁给三位验证了量子纠缠的物理学家的原因所在。（本文首发钛媒体APP）

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