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【Nature長(cháng)篇新聞特稿報道潘建偉小組工作】“數據隱形傳輸：量子太空競賽”：三年前，潘建偉將星際旅行帶到了中國長(cháng)城。從位于北京北部丘陵的長(cháng)城附近實(shí)驗點(diǎn)，將激光瞄準16公里之外屋頂上的探測器，利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過(guò)去。三年前，潘建偉將星際旅行帶到了中國長(cháng)城。從位于北京北部丘陵的長(cháng)城附近實(shí)驗點(diǎn)，他和他的團隊——來(lái)自合肥的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家們，將激光瞄準16公里之外的屋頂上的探測器，然后利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過(guò)去。這刷新了當時(shí)量子隱形傳態(tài)的世界紀錄，這是朝著(zhù)實(shí)現團隊的終極目標——將光子信息隱形傳送到衛星——邁進(jìn)的重要一步。 如果這一目標實(shí)現，第一個(gè)“量子互聯(lián)網(wǎng)”將連接成功，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )將是運用亞原子尺度物理規律創(chuàng )建的一個(gè)超級安全的全球通信網(wǎng)絡(luò )。這也標志著(zhù)中國在量子領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國家發(fā)展為現在的世界勁旅。2016年，中國將領(lǐng)先歐洲和北美，發(fā)射一顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星。這將為物理學(xué)家提供一個(gè)測試量子理論基礎以及探索如何融合量子理論與愛(ài)因斯坦廣義相對論的全新平臺。 這也將標志著(zhù)潘建偉與維也納大學(xué)的物理學(xué)家塞林格的友好友誼（雖然存在激烈競爭）達到高峰。塞林格曾是潘建偉的博士導師；隨后7年，二人在遠距離量子隱形傳態(tài)研究的賽跑中棋逢對手；目前他們又建立了合作關(guān)系。一旦衛星發(fā)射，兩位物理學(xué)家將創(chuàng )建了第一個(gè)洲際量子加密網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)衛星連接亞洲和歐洲�！拔覀冎袊芯淅显�(huà)，一日為師終生為父，”潘說(shuō)，“科研上，塞林格和我平等合作，但在情感上我一直把他當作我尊敬的長(cháng)輩�！� 迅速崛起 2001年，潘建偉建立了中國第一個(gè)光量子操縱實(shí)驗室；2003年，他提出了量子衛星計劃。那時(shí)的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當時(shí)最年輕的中科院院士。潘小組的成員陳宇翱說(shuō)：“他幾乎單槍匹馬地推進(jìn)這個(gè)項目，并使中國在量子領(lǐng)域有了立足之地�！� 潘建偉的動(dòng)力要追溯到上世紀80年代后期他在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)讀本科的時(shí)候，他第一次接觸到了原子領(lǐng)域一些奇怪的概念。微觀(guān)客體可以處于多個(gè)狀態(tài)的迭加態(tài)：例如，一個(gè)粒子可以同時(shí)處在順時(shí)針自旋狀態(tài)和逆時(shí)針自旋狀態(tài)，或者可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方。這種多重的個(gè)性在數學(xué)上用波函數來(lái)描述，波函數給出了粒子處于每個(gè)狀態(tài)的概率。只有在粒子的某一特性被測量時(shí)，波函數才會(huì )坍塌，相應的粒子才會(huì )處于一個(gè)確定地點(diǎn)的確定狀態(tài)。至關(guān)重要的是，即使在原則上都無(wú)法預言單次實(shí)驗的結果，粒子處于每個(gè)狀態(tài)的概率僅表現為一個(gè)統計分布，并且只有通過(guò)多次重復實(shí)驗才能得到。 由于量子糾纏特性，當考慮兩個(gè)或更多個(gè)粒子時(shí)，情況變得更加古怪了。多粒子系統可以被制備到某種狀態(tài)：即使粒子間距離遙遠，即使粒子的物理性質(zhì)僅當其被測量時(shí)才會(huì )存在確定的值，對于每個(gè)粒子某個(gè)物理性質(zhì)的測量結果之間總是會(huì )存在某種關(guān)聯(lián)性。這種怪異性就好比分別位于維也納和北京的兩位物理學(xué)家同時(shí)擲硬幣，他們會(huì )發(fā)現每次結果都是正面朝上或者都是反面朝上�！拔覍@些奇怪的量子特性感到著(zhù)迷，”潘建偉說(shuō)，“它們幾乎使我無(wú)法分心去學(xué)習其它東西�！彼腧炞C這些不可思議的理論，但是在當時(shí)的中國找不到合適的量子物理實(shí)驗室。 當時(shí)像潘建偉這樣處于萌芽階段的中國物理學(xué)家的正常發(fā)展之路就是去美國深造——對他們而言這個(gè)過(guò)程再自然不過(guò)了，事實(shí)上，當時(shí)很多中國科大學(xué)子戲言他們學(xué)校的縮寫(xiě)“USTC”其實(shí)是“United States Training Centre”（美國人才培訓中心）之意。但潘建偉只想拜量子實(shí)驗大師為師，對于他來(lái)說(shuō)，這位實(shí)驗大師就是塞林格。 1989年，塞林格曾經(jīng)與兩位物理學(xué)家——現紐約市立大學(xué)的物理學(xué)家丹尼爾•格林伯格和現馬薩諸塞州伊斯頓斯通希爾學(xué)院的米切爾•霍恩——合作發(fā)現了關(guān)于三個(gè)或更多粒子糾纏的一個(gè)重要定理。這項工作不僅對于該領(lǐng)域而言還是對于賽林格而言都是一個(gè)轉折點(diǎn)�！霸诟鞣N會(huì )議上，我意識到一些非常著(zhù)名的年長(cháng)的物理學(xué)家們開(kāi)始把我看作量子專(zhuān)家了�！�20世紀90年代中期，塞林格在奧地利因斯布魯克大學(xué)建立了自己的量子實(shí)驗室，并且需要一名學(xué)生來(lái)檢驗他的實(shí)驗猜想。潘看上去是一個(gè)理想的選擇。于是，與大多數中國學(xué)生的選擇不同，潘去了奧地利師從塞林格，與賽林格開(kāi)始了一段決定他們二人此后二十年間事業(yè)上并駕齊驅的關(guān)系。 當時(shí)潘雖然還只是名研究生，但卻懷著(zhù)為祖國服務(wù)的巨大心愿。第一次見(jiàn)面時(shí)，塞林格問(wèn)潘的夢(mèng)想是什么。潘回答說(shuō)：“在中國建立一個(gè)像您實(shí)驗室這樣的世界領(lǐng)先的實(shí)驗室�！边@給塞林格留下了深刻的印象�！芭藙倎�(lái)的時(shí)候，他對如何在實(shí)驗室工作所知了了，但他很快就掌握了游戲規則，并很快就開(kāi)始了他自己的實(shí)驗�！比指裾f(shuō)，“我一直相信他會(huì )前程似錦，但沒(méi)想到他居然如此成功，我想這是任何人都無(wú)法事先預料的。我為他感到非常驕傲�！� 當潘在塞林格實(shí)驗室施展他的專(zhuān)業(yè)才華時(shí)，世界各地的物理學(xué)家慢慢認識到，曾令潘著(zhù)迷的深奧難懂的量子特性可被用來(lái)創(chuàng )造超強的量子計算機。標準計算機通過(guò)編碼于二進(jìn)位數——一連串的“0”和“1”——上的信息而緩慢地運行。但早在1981年，物理學(xué)家理查德•費曼就指出，量子位，又稱(chēng)“量子比特”，不會(huì )如此步履維艱。因為一個(gè)量子比特可以同時(shí)存在于0和1的疊加，它可能建立更快、更強大的能夠將多個(gè)量子比特糾纏起來(lái)的量子計算機，以驚人的速度并行地執行某些運算。 另一個(gè)新興概念是極度安全的量子加密，可在如銀行交易等方面獲得應用。其中的關(guān)鍵是測量一個(gè)量子系統會(huì )不可避免地破壞這個(gè)系統。因此，兩個(gè)人Alice和Bob能夠產(chǎn)生并共享一套量子密鑰，其安全性在于來(lái)自竊聽(tīng)者的任何干擾都會(huì )留下痕跡。 在2001年潘回到中國的時(shí)候，量子技術(shù)的潛力已經(jīng)得到公認，并吸引了中國科學(xué)院和中國國家自然科學(xué)基金的財政支持�！昂苄疫\，2000年中國經(jīng)濟開(kāi)始增長(cháng)，因此很快迎來(lái)了從事科研工作的好時(shí)候，”潘說(shuō)。他全身心投入了他的夢(mèng)想實(shí)驗室建設。 這個(gè)時(shí)候，在奧地利，塞林格轉到維也納大學(xué)，在那里，因為他的遠見(jiàn)卓識，他繼續創(chuàng )造著(zhù)量子記錄。他最著(zhù)名的實(shí)驗之一表明，巴基球（含有60個(gè)碳原子的富勒烯分子）可以表現出波-粒二像性，這是一個(gè)奇特的量子效應，很多人曾認為在如此大的分子中不可能存在這種效應�！懊總�(gè)人都在談?wù)摽梢杂眯〉碾p原子分子來(lái)嘗試一下這個(gè)實(shí)驗，”塞林格回憶說(shuō)，“我說(shuō)，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請思考一下我們如何能實(shí)現一個(gè)超出所有人想象的大跳躍�！� 這使得潘深受教益。世界各地的物理學(xué)家們開(kāi)始構思利用尚未實(shí)現的量子計算機來(lái)連接的未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)。當大多數人仍滿(mǎn)足于在實(shí)驗室內部安全地得到量子信息時(shí)，潘已經(jīng)開(kāi)始思考如何能夠在太空中實(shí)現信息的隱形傳送。 紐約IBM的計算機科學(xué)家查爾斯•貝內特和他的同行1993年首次提出所謂“量子隱形傳態(tài)”的概念。這名副其實(shí)，陳說(shuō)：“它就像星際旅行一樣，”它使得關(guān)于一個(gè)量子客體的全部信息在某個(gè)地點(diǎn)被掃描輸入，并在一個(gè)新的地點(diǎn)重構出來(lái)。這其中的關(guān)鍵是糾纏：對處于糾纏態(tài)的其中一個(gè)粒子的操作會(huì )影響到另一個(gè)粒子。不管兩個(gè)粒子距離多遠，它們可以像一條量子電話(huà)線(xiàn)兩端的電話(huà)機那樣被操控，在兩個(gè)相距甚遠的地點(diǎn)之間傳送量子信息。 當同時(shí)產(chǎn)生的糾纏粒子被發(fā)送到電話(huà)式連接的兩端時(shí)，問(wèn)題就出現了。傳遞過(guò)程充滿(mǎn)噪音、散射相互作用和各種形式的其它干擾，任何一種干擾都會(huì )破壞隱形傳態(tài)必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。例如，目前糾纏光子通過(guò)光纖傳輸，但是光纖吸收光，這使得光子的傳輸距離僅限于幾百公里。標準的放大器不起作用，因為放大過(guò)程會(huì )破壞量子信息。陳說(shuō)：“要在城域距離之外實(shí)現隱形傳態(tài)，我們需要衛星的幫助�！� 但是當光子向上通過(guò)地球的湍流大氣層到達幾百公里的衛星時(shí)，糾纏會(huì )不會(huì )繼續保持？為了回答這個(gè)問(wèn)題，潘的研究團隊（包括陳在內）于2005年開(kāi)展了晴空下傳輸距離不斷擴大的地基可行性實(shí)驗，探究光子與空氣分子發(fā)生碰撞后糾纏性質(zhì)能否繼續維持。但他們還需要建立靶標探測器，這個(gè)探測器必須小到能夠裝配到衛星上，并且必須足夠靈敏，以能夠從背景光中篩選出被傳送的光子。并且他們還得保證他們可以將光子束足夠聚焦以能打到探測器。 這個(gè)工作激起了塞林格的競爭意識�！爸袊嗽谧隽�，因此我們想，為什么我們不試試呢？”塞林格笑著(zhù)說(shuō)，“一些友好的競爭總是好的�！备偁幋偈构庾觽鬏斁嚯x的世界紀錄不斷被刷新。在接下來(lái)的七年中，在合肥展開(kāi)一系列實(shí)驗，然后是在北京長(cháng)城，最終在青海，中國研究團隊將隱形傳態(tài)的距離越推越遠，直到它超過(guò)97 公里。5月份，他們將成果張貼在物理預印本服務(wù)器ArXiv上，這讓奧地利團隊十分懊惱，因為他們正在撰寫(xiě)在加那利群島間隱形傳態(tài)光子的實(shí)驗論文。8天后，他們在A(yíng)rXiv上貼出了論文，報道他們隱形傳態(tài)143公里的新紀錄。兩篇文章先后發(fā)表在《自然》雜志上�！拔艺J為這可以表明一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)實(shí)驗都有不同和互補的價(jià)值，”維也納大學(xué)物理學(xué)家、奧地利團隊成員馬曉松說(shuō)。 兩支團隊都認為向衛星進(jìn)行隱形傳態(tài)在科學(xué)原理上已不存在問(wèn)題。目前他們亟需一顆衛星來(lái)裝載功能齊備的有效載荷設備來(lái)開(kāi)展相關(guān)的量子實(shí)驗檢驗。塞林格研究組一直在與歐洲航天局商討建立量子衛星計劃，但這些努力因拖延而漸漸告吹。塞林格說(shuō)：“它的運行機制慢到無(wú)法做出任何決策�！睔W空局的猶豫使中國國家航天局乘勢得以擴大領(lǐng)先優(yōu)勢。潘在這方面起了決定性的推進(jìn)作用，“量子衛星”計劃于2016年發(fā)射。這使得潘在量子空間競賽中處于領(lǐng)先地位，他的研究團隊將著(zhù)手開(kāi)展大量的科學(xué)實(shí)驗。 成功的關(guān)鍵 如果沒(méi)有通信對象，開(kāi)發(fā)全球首個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò )就失去了意義。因此，潘建偉邀請他從前的競爭對手加入這個(gè)項目。他們的第一個(gè)共同目標是在北京和維也納之間生成和共享安全的量子密鑰。馬曉松說(shuō)：“總之任何一個(gè)小組都無(wú)法獨立完成向衛星隱形傳態(tài)這一極其艱巨的任務(wù)�！� 盡管對推進(jìn)技術(shù)前沿的承諾是中國政府的主要興趣所在，許多物理學(xué)家發(fā)現衛星項目因為其它種種原因而令人著(zhù)迷。陳說(shuō)：“作為一名科學(xué)家，驅使我不斷前行的動(dòng)力在于探尋更多的物理學(xué)基礎方面�！逼駷橹�，量子理論的奇妙之處在實(shí)驗室里被不斷重復檢驗，但這些檢驗從未在太空尺度進(jìn)行過(guò)，而且有理論認為，如果量子理論可能會(huì )在某處遭遇挑戰，那必然是太空。大尺度由另一個(gè)基本理論物理所掌控：廣義相對論。相對論將時(shí)間與三維空間交織，從而創(chuàng )造一個(gè)四維時(shí)空結構，包括宇宙。在巨大物體如太陽(yáng)周?chē)�，這種可塑結構將發(fā)生彎曲，表現為引力，引力將較小質(zhì)量的物體如行星拉向巨大物體。 目前的挑戰是，量子理論和廣義相對論對時(shí)空概念有不同的理解，物理學(xué)家們一直致力于將其融合進(jìn)一個(gè)統一的量子引力理論框架。在愛(ài)因斯坦的繪景里，即使在無(wú)窮小尺度上，時(shí)空都是完全光滑的。然而量子不確定性卻意味著(zhù)不可能在如此小的距離上測量空間性質(zhì)。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對論需要進(jìn)行修正，抑或二者都要進(jìn)行修正。衛星實(shí)驗可以幫助測試量子理論的規則在引力牽引不能被忽略的尺度上是否仍然適用。 一個(gè)明顯的問(wèn)題是，量子糾纏是否可以延伸到地球和衛星之間。為了回答這個(gè)問(wèn)題，研究組計劃在衛星上制備一系列糾纏粒子對，將每對中的兩個(gè)粒子分別發(fā)送到兩個(gè)地面站，然后測量?jì)蓚�(gè)粒子的性質(zhì)以驗證它們是否仍然存在關(guān)聯(lián)——現有的理論框架是否無(wú)懈可擊�！叭绻m纏不再存在，我們就不得不尋找另一種理論來(lái)代替量子理論，”研究向衛星進(jìn)行隱形傳態(tài)方案的瑞士日內瓦大學(xué)理論物理學(xué)家尼古拉斯•布魯納說(shuō)。 該衛星還可更進(jìn)一步，檢驗一些候選的量子引力理論對時(shí)空結構的預言。比如，所有這些理論都預測，如果科學(xué)家能以某種方式在10的負35次方米（即普朗克長(cháng)度）這一尺度觀(guān)測，空間、時(shí)間將呈現為顆粒狀。如果事實(shí)確實(shí)如此，那么光子從衛星沿著(zhù)這條顆粒感的道路將會(huì )輕微減速，而且偏振方向將有一個(gè)微小、隨機的偏轉——這些效應足夠大，能夠在地面站被紀錄下來(lái)�！靶l星將開(kāi)啟一個(gè)真正全新的窗口，通往一個(gè)實(shí)驗物理學(xué)家此前從未涉足的領(lǐng)域，非常神奇，”來(lái)自意大利羅馬薩皮恩扎大學(xué)的物理學(xué)家吉奧瓦尼•阿米力諾-卡米利亞說(shuō)。 潘，賽林格和他們的團隊目前正在仔細梳理最近加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所召開(kāi)的一系列研討會(huì )上提出的各種想法。在這些研討會(huì )上，物理學(xué)家們被要求提出衛星能夠測試的其他基礎性問(wèn)題。這些問(wèn)題包括：為何處于糾纏態(tài)的一個(gè)粒子總是知道遠端那個(gè)粒子的測量結果呢？是否糾纏量子對通過(guò)某種未知的信息通道進(jìn)行通信？什么導致測量時(shí)量子波函數坍塌？是否引力在以某種不確定的方式在起作用？時(shí)間到底是像廣義相對論中所描述的是精確定義的量，或是量子力學(xué)所預言的模糊量？ 潘說(shuō)，回答這類(lèi)問(wèn)題需要極度精密的實(shí)驗儀器。但只要各團隊能夠團結協(xié)作，克服他們提出的技術(shù)挑戰將更加容易。奧地利的研究團隊同樣以飽滿(mǎn)的熱情加入新的合作。就像塞林格所言：“我的一個(gè)學(xué)生正開(kāi)始學(xué)習漢語(yǔ)�！� 來(lái)源：《Nature》2012年12月5日 中文原文：http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201301/t20130104_146417.html 英文原文：http://www.nature.com/news/data-teleportation-the-quantum-space-race-1.11958 |
| 我也是物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的，現在都完全不著(zhù)調了 |
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從小就喜歡自然科學(xué)，尤其是物理學(xué)，第一次知道量子物理的時(shí)候簡(jiǎn)直頭大，但多看了一些書(shū)、了解稍微深入一些后，又感覺(jué)特別興奮。 說(shuō)實(shí)話(huà)，自從接觸到相對論，就很不喜歡它的一個(gè)結論——不可能以超光速傳輸有價(jià)值的信息，尤其是知道存在“量子糾纏”現象后。試問(wèn)： 1、什么是有價(jià)值的信息？數字信號中單獨的bit位是有價(jià)值的信息嗎？誰(shuí)能從單獨的bit位推斷并獲得出完整的數字信號呢？ 2、量子的糾纏既然能夠被測量到，那么這種能夠被測量到的狀態(tài)難道不是“有價(jià)值”的信息嗎？ |
