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回顧量子纏結:光年之外的兩個粒子為何能相互影響,對人類有何價值

2024-10-07科學

導語

「E=mc^2」、「地球繞太陽公轉」、「萬有重力」「牛頓的三大定律」這些在物理世界中被普遍認知的公理所揭示的規律都是人類對於世界的理解,然而這些規律在量子世界似乎並不成立。

量子世界有著獨特的物理規律,最為人津津樂道是量子力學中的「不確定性原理」,而另一個不解之謎就是「量子纏結」。

量子纏結是量子力學中最神秘的現象之一,兩個粒子之間即使相隔很遠,仍然能夠保持耦合狀態,這種狀態被稱為「纏結密切」,那麽這種性質又是如何做到的?

量子纏結又對人類有著怎樣的意義?

為了解開這一困擾人類的難題,科學家們進行了大量的努力。

量子纏結的起因。

1900年分子動力論的創始者麥克斯·普朗克在為黑體輻射現象進行解釋的時候不小心提出了量子概念,從而為量子力學的誕生埋下了伏筆。

1912年丹麥人尼爾斯·玻爾提出了第一個量子理論,這一理論得到了愛因斯坦的高度認可,並在此基礎上提出了「光量子假說」,這也是愛因斯坦唯一一篇諾貝爾獎用於光量子假說的。

1926年,德國物理學家馮·諾依曼發明了最早的量子纏結實驗,從而證實了愛因斯坦關於「最強大的物理學上的謬誤」的看法。

所謂量子纏結就是指量子系統中某一部份的狀態與其它部份的狀態之間依然保持聯系——無論它們相隔有多遠。

這是一個令人驚訝的特征,如果兩個粒子發生纏結,那它們之間的相互影響就會是瞬時的,甚至對於兩個纏結粒子來說,就算它們相隔足夠遠,它們仍然能夠建立相互關聯。

一旦一個粒子的狀態發生改變,另一個粒子的狀態也會立即改變。

例如,假設有兩個纏結態的電子,它們的自旋方向是「纏結在一起的」,一顆電子的自旋方向為正則另一顆電子的自旋方向就為負,反之亦然。

如果將兩個這樣的纏結果子丟到兩個星系之間,然後再將其中一個果子的自旋進行反轉,那麽我們就能看到另一個果子的自旋瞬間發生改變。

這也就意味著,當兩個粒子之間建立了這種纏結態之後,我們就能利用其中一個粒子對另一個粒子進行操縱,但是這種操縱幾乎是超光速的,因為它是瞬間就能發生的。

這是一個潛在的自然界的巨大資源,我們能夠利用它使得在量子計算和量子通訊中進行計算的速度大大增加。

然而這也極大的挑戰了經典物理學的理解。

套用量子纏結可以解決「e-郵件」的安全問題,因為利用量子通訊的特性進行通訊不但可以保證通訊的安全性,還可以對通訊過程中的任何竊聽行為進行即時監測。

這也意味著,利用量子纏結我們可以完成更為復雜的任務,包括量子計算的連線和量子通訊的建立。

將量子通訊發展用於通訊領域的價值。

量子纏結的研究成果為量子通訊和量子密碼學的發展提供了巨大的潛力,透過量子纏結可以實作安全的資訊傳遞。

2016年9月20日「墨子號」發射成功,並成功建立出連通距離最遠的量子通訊。

中國國防界的「三位一體」,也就是「天眼」——500米口徑球面射電望遠鏡、「墨子號」——量子實驗衛星、「雄安新區」——南大超算中心,主要從事宇宙探測、空天一體的實驗和量子物理方面的研究。

其中「墨子號」衛星是中國開展量子通訊實驗的第一顆專事星載量子科學實驗的衛星。

到2017年,中國已經向全球光纖傳輸實作了最遠距離的量子通訊,並且在北京、上海和杜拜等地之間進行了加密的長距離傳輸實驗。

同時中國還計劃在明年將量子通訊的方式用於全面的保密通訊,前提是要建立自己的衛星通訊網絡。

2017年6月、7月,中國分別在1000多公裏的光纖上進行了量子金鑰分發實驗以及雙向量子金鑰分發實驗。

2018年,中國在澳門和廣州之間完成了2400多公裏光纖網絡上的聲光陳效實驗。

在2017年8月11日,中國在地面建立的四個基站,利用「墨子號」量子實驗衛星,進行了超長距離的量子通訊。

中國科研人員已經在世界上率先建立了千公裏量子通訊網絡,其中這四個基站分別位於澳門、台山、上海和拉薩等地,從而橫跨了2600千米的距離,成功完成了世界上最長距離上的「量子纏結」通訊,並且在三個不同的大洲之間之間建立了連通。

2016年9月20日,中國的量子科學實驗衛星「墨子號」成功發射升空,中國的量子科學實驗史邁入了歷史上更高的頂峰,這也意味著中國實作了這方面的發展超前進入到世界頂級領先的行列。

中國的實驗被認為是對愛因斯坦所說「量子纏結不可能發生,因為這違背了空間中的相對論的觀點」的成果,中國科研人員對這一理論進行了突破。

2017年8月10日,中國在「墨子號」衛星上建立的基站,利用微波頻率對澳門和上海兩地的站點進行了傳統量子金鑰分發的實驗,從而建立出了全球上第一個基於微波頻率的實驗系統。

這一技術一經問世,雖然主要是用於軍方方面,在一定的條件下對民用通訊系統也會產生一些影響。

當然,隨著量子通訊技術的不斷的發展,中國有望在未來向民用通訊進行普遍推廣。