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量子物理学量子通信技术未来

2010-06-11
量子物理学,量子通信技术,量子纠缠,量子态隐形传输

中国量子通信技术未来将终结海底光缆


2010年06月11日 10:42 四川新闻网-成都商报 量子物理学量子通信技术量子纠缠量子态隐形传输

  中国量子通信技术原理

  一个爱因斯坦的预言

  两个形态(类似振动频率)相同的量子,无论它们在宇宙中相隔多远,只要其中一个发生变化,另外一个也会有完全相同的变化,这种现象现代科学无法解释……

  应用

  一个诡异现象的现代应用

  但是,这种量子之间的“诡异”特性却被现代科学家巧妙利用于远程通信技术,他们把两个同源的量子分开,对其中一个施以“信息”,那么,远在许多公里之外的另一个量子也会有同样的“反应”,通过读取它的反应,可以实现远超目前水平的通信技术。

  比喻

  量子好比千年前的棍子

  我们来看看一段历史———古希腊的斯巴达人将一张皮革包裹在特定长短粗细的棍子上,再写上传递的信息;而信息接收者只需有根同等尺径的棍子,收到皮革后将皮革裹到棍子上就可以读出原始信息。即使皮革中途被截走,只要对方不知道棍子的长短粗细,所看到的也只是一些无用的信息。形象地说,“棍子”就是量子态隐形传输的特殊装置,而“皮革”就是传输的信息。

  由中国科学技术大学和清华大学组成的联合小组,日前成功实现了16公里的量子态隐形传输。这是目前量子通信研究上的世界纪录。让全球量子化通信进一步接近现实,海底光缆等传统技术可能成为历史。

  名词解释

  量子态隐形传输

  量子态隐形传输是一种全新通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。利用量子纠缠技术,需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。

  按照常理,信息的传播需要载体,人与人的对话需要通过声音来传播,手机与基站之间要通过电磁波来传输信号,互联网的信息传递也需要在光缆中传输的光信号。那么,不需要载体的信息传递是否存在?在量子世界里,在纠缠光子的帮助下,量子态隐形传输就可以实现这一点。

  关键词 量子纠缠

  爱因斯坦称为“幽灵”

  联合小组成员、清华大学教授彭承志告诉记者,该实验首次证实了在自由空间进行远距离量子态隐形传输的可行性,向全球化量子通信网络的最终实现迈出了重要一步。他预测,今后10年内有望建成覆盖全球的量子通信网络。

  量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态,它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。曾被爱因斯坦称作幽灵般的超距离作用的“量子纠缠”,指的是在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,只要一个粒子发生变化,另一个粒子的状态也会立刻发生相应的变化,这就是量子纠缠。

  彭承志介绍,在量子纠缠的帮助下,待传输的量子态如同科幻小说中“超时空传送”,在一个地方神秘地消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方神秘地出现。

  关键词 16公里

  证实穿越大气层可行

  1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证;2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。

  2004年开始,潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间信道中实现更远距离的量子通信。在自由空间信道中,光子传输几乎不存在退相干效应,而一旦穿透大气层进入到外层空间,光子的损耗更是接近于零,这使得自由空间信道相比光纤信道在大尺度上具有特别的优势。该小组于2005年在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子对的可行性。2007年开始,中国科大-清华大学联合研究小组开始在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态,证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性,为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。

  彭承志告诉记者,量子纠缠做为量子信息科学的核心资源,是目前国际上的研究热点,基于量子纠缠的量子态隐形传输是量子计算和量子中继中的基本过程,而16公里这个距离能够等效大气的有效厚度,对于未来实用化全球量子通信网络的建立具有十分重要的意义。这样的自由空间量子通信的前景就是,未来发射卫星上天,利用卫星平台中转实现全球化量子通信。

  中国科学家在自由空间量子通信方向上的一系列工作引起了国际学术界的广泛关注。英国的《新科学家》(New Scientist)、美国的《今日物理》(Physics Today)等多家学术新闻媒体均对这些工作进行了报道。(综合新华社)

  本报记者第一时间专访清华大学教授彭承志

  “超时空转移”属误解

  我国成功实现世界最远距离量子态隐形传输,这条看起来“高深莫测”,但却引发世界科学界广泛关注的新闻到底意味着什么?

  记者:很多科学术语和名词,读者看不明白。你们的研究成果发表后,引起了轰动。您能不能用通俗的语言向我们的读者介绍一下你们的成就?比如,用一些比喻加深读者的理解。

  彭承志:比喻还是不能乱打,打得不好会更影响公众对科学成果的理解。

  记者:量子态隐形传输被很多人理解为“超时空瞬间转移”。

  彭承志:是的。但我这里只是形容量子态隐形传输过程中不需要传递载体,被人误解为“超光速传输”了。

  记者:也就是说,即使是量子态隐形传输,也不可能达到超光速?

  彭承志:当然。量子态隐形传输,传输的不是量子本身,而是它的量子态。量子态隐形传输中间必须要利用到经典通信手段,所以是不可能超光速的。

  记者:奥地利蔡林格小组 2004年利用的是多瑙河底的光纤信道。那么,我们这次的“自由空间”指的是什么?

  彭承志:也就是我们存在的空间。在实验的两端装好设备,先用经典强光打通光学链路,然后采用了一种两光子方案进行量子隐形传态实验。由于光纤信道中的损耗和环境干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。我们直接在空间中传输,损耗很小,而到了大气层外,损耗几乎为零。

  记者:这次实验突破在哪里?

  彭承志:16公里这个距离能够等效大气的有效厚度,这次成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。对于未来实用化全球量子通信网络的建立具有十分重要的意义,为未来计划发射卫星上天、利用卫星平台中转实现全球化量子通信打下了基础。

  记者:既然还要使用现有经典通信技术,那量子态隐形传输的优势在哪里?

  彭承志:经典通信技术无法完成量子态的传输,量子态隐形传输是未来量子通信网络的核心要素,是量子通信的必须环节。量子通信与传统的通信方式相比,具有绝对安全性和超高信道容量等明显优势。

  本报记者殷玉生 北京为您报道

和现实说“再见”:量子物理学引发了怎样的“奇谈怪论



(2010-03-11 16:08:29)转载 《新京报·新知周刊》封面故事

和现实说“再见”
量子物理学引发了怎样的“奇谈怪论”

漫画家笔下的“薛定谔的猫”,猫真的会处于“既是活的,又是死的”状态吗?

新京报《新知周刊》

量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论,但另一方面,它却和人类日常生活的经验如此格格不入。

如今,很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说:“我敢肯定,现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史,它还有无数的谜尚待解开。

1微观与宏观,水火不兼容

物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何,量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何,但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们,物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么,神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢?在经典极限情况下,通过合理的近似,量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面,成了量子论过不去的一个坎。直到现在,理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。

“哥本哈根学派”认为,物质在被观测之前,是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点,证实量子力学在宏观层面是不完整的,德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物:薛定谔的猫。

这是一个思想实验:不透明的箱子里装着一只猫,箱子中另外还有一个原子衰变装置,原子会随机发生衰变,一旦衰变发生,就会激发一系列连锁反应,最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫,反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前,原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态,只有当打开箱子的一刹那,猫的死活才确定下来。所以,在打开箱子之前,猫既是死的,又是活的。问题是,现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢?我们的常识中,猫要么是死的,要么是活的。量子论无法解释现实世界,这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。

“薛定谔的猫”出现之后,物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论:如果人的观测能决定猫的生死,那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢?

2同一个世界,很多个宇宙?

“虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个Sheldon的‘平行宇宙理论’,我还是像你保证,没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中,“宅男”Sheldon这么回复美女Penny的邀舞请求。

为了解决与现实世界兼容的问题,无数物理学家尝试了各种理论,最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。

支持这个理论的科学家认为,“薛定谔的猫”实验中,箱子在被打开观测之前,与其说猫处于一种既死又活的状态,不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的,有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪?但这个理论的确成功避开了很多问题,将微观和宏观世界联系在了一起。

然而,即使到现在,这个理论依然如此前卫,令人无法理解。最近20年间,它才开始受到人们的关注,并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中:因为平行宇宙的存在,时间线产生了分叉,出现了多重“历史”,人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。

现在,“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果,其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中,而这个“时空”是多维度的,霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面,还没有任何物理证据证明其真实存在。

3 量子纠缠,挑战光速

“量子纠缠”现象是说,一个粒子衰变成两个粒子,朝相反的两个方向飞去,同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”,则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说,两个处于“纠缠态”的粒子,无论相隔多远,同时测量时都会“感知”对方的状态。那么,这两个粒子如何实现瞬间的沟通,这种感知是否是超光速的,这是否违背了相对论呢?

在量子力学中,微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中,某些定义的速度是可以超越真空光速的,但是到目前为止,还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。

在现实世界中,不可能在人和石头之间建立某种感应,不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。

20世纪下半叶至今的各类实验中,不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年,巴黎大学的物理学家证实,亚原子粒子在向相反方向发射后,在运动时依然可以彼此互通信息。2008年,日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次,两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。

尽管如此,依然没人能让物理信号超越光速。

4 量子论不是“绝对真理”

量子论是20世纪出现的最成功的理论,它和相对论成为现代物理学的两大基石,但这两个基石之间却互不包容,又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题,改变了人类的时空观;量子论的各种假设虽然不断被实验所证实,它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生,但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。

为了将量子论和相对论结合起来,理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定,如果将来出现一个能替代量子论的理论,它必定能首先解释,为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。

费曼曾说,“我们要记住,或许有一天量子理论会被证明是失败的,因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”

而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法:“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性,但这只表明:它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有,也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”

新知专题采写/本报记者 金煜

本专题感谢:

曾谨言(北京大学理论物理学家、

《量子力学导论》作者)

周正威(中科院量子信息重点实验室副主任)

周善贵(中科院理论物理研究所研究员)

曹天元(科学作家)

清华大学理论计算机研究中心
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