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回顾量子纠缠:光年之外的两个粒子为何能相互影响,对人类有何价值

2024-10-07科学

导语

「E=mc^2」、「地球绕太阳公转」、「万有引力」「牛顿的三大定律」这些在物理世界中被普遍认知的公理所揭示的规律都是人类对于世界的理解,然而这些规律在量子世界似乎并不成立。

量子世界有着独特的物理规律,最为人津津乐道是量子力学中的「不确定性原理」,而另一个不解之谜就是「量子纠缠」。

量子纠缠是量子力学中最神秘的现象之一,两个粒子之间即使相隔很远,仍然能够保持耦合状态,这种状态被称为「纠缠密切」,那么这种性质又是如何做到的?

量子纠缠又对人类有着怎样的意义?

为了解开这一困扰人类的难题,科学家们进行了大量的努力。

量子纠缠的起因。

1900年分子动力论的创始者麦克斯·普朗克在为黑体辐射现象进行解释的时候不小心提出了量子概念,从而为量子力学的诞生埋下了伏笔。

1912年丹麦人尼尔斯·玻尔提出了第一个量子理论,这一理论得到了爱因斯坦的高度认可,并在此基础上提出了「光量子假说」,这也是爱因斯坦唯一一篇诺贝尔奖用于光量子假说的。

1926年,德国物理学家冯·诺依曼发明了最早的量子纠缠实验,从而证实了爱因斯坦关于「最强大的物理学上的谬误」的看法。

所谓量子纠缠就是指量子系统中某一部分的状态与其它部分的状态之间依然保持联系——无论它们相隔有多远。

这是一个令人惊讶的特征,如果两个粒子发生纠缠,那它们之间的相互影响就会是瞬时的,甚至对于两个纠缠粒子来说,就算它们相隔足够远,它们仍然能够建立相互关联。

一旦一个粒子的状态发生改变,另一个粒子的状态也会立即改变。

例如,假设有两个纠缠态的电子,它们的自旋方向是「纠缠在一起的」,一颗电子的自旋方向为正则另一颗电子的自旋方向就为负,反之亦然。

如果将两个这样的纠缠果子丢到两个星系之间,然后再将其中一个果子的自旋进行反转,那么我们就能看到另一个果子的自旋瞬间发生改变。

这也就意味着,当两个粒子之间建立了这种纠缠态之后,我们就能利用其中一个粒子对另一个粒子进行操纵,但是这种操纵几乎是超光速的,因为它是瞬间就能发生的。

这是一个潜在的自然界的巨大资源,我们能够利用它使得在量子计算和量子通信中进行计算的速度大大增加。

然而这也极大的挑战了经典物理学的理解。

应用量子纠缠可以解决「e-邮件」的安全问题,因为利用量子通信的特性进行通信不但可以保证通信的安全性,还可以对通信过程中的任何窃听行为进行实时监测。

这也意味着,利用量子纠缠我们可以完成更为复杂的任务,包括量子计算的连接和量子通信的建立。

将量子通信发展用于通信领域的价值。

量子纠缠的研究成果为量子通信和量子密码学的发展提供了巨大的潜力,通过量子纠缠可以实现安全的信息传递。

2016年9月20日「墨子号」发射成功,并成功建立出连通距离最远的量子通信。

我国国防界的「三位一体」,也就是「天眼」——500米口径球面射电望远镜、「墨子号」——量子实验卫星、「雄安新区」——南大超算中心,主要从事宇宙探测、空天一体的实验和量子物理方面的研究。

其中「墨子号」卫星是我国开展量子通信实验的第一颗专事星载量子科学实验的卫星。

到2017年,我国已经向全球光纤传输实现了最远距离的量子通信,并且在北京、上海和迪拜等地之间进行了加密的长距离传输实验。

同时我国还计划在明年将量子通信的方式用于全面的保密通信,前提是要建立自己的卫星通信网络。

2017年6月、7月,我国分别在1000多公里的光纤上进行了量子密钥分发实验以及双向量子密钥分发实验。

2018年,我国在澳门和广州之间完成了2400多公里光纤网络上的声光陈效实验。

在2017年8月11日,我国在地面建立的四个基站,利用「墨子号」量子实验卫星,进行了超长距离的量子通信。

我国科研人员已经在世界上率先建立了千公里量子通信网络,其中这四个基站分别位于澳门、台山、上海和拉萨等地,从而横跨了2600千米的距离,成功完成了世界上最长距离上的「量子纠缠」通信,并且在三个不同的大洲之间之间建立了连通。

2016年9月20日,我国的量子科学实验卫星「墨子号」成功发射升空,我国的量子科学实验史迈入了历史上更高的顶峰,这也意味着我国实现了这方面的发展超前进入到世界顶级领先的行列。

我国的实验被认为是对爱因斯坦所说「量子纠缠不可能发生,因为这违背了空间中的相对论的观点」的成果,我国科研人员对这一理论进行了突破。

2017年8月10日,我国在「墨子号」卫星上建立的基站,利用微波频率对澳门和上海两地的站点进行了传统量子密钥分发的实验,从而建立出了全球上第一个基于微波频率的实验系统。

这一技术一经问世,虽然主要是用于军方方面,在一定的条件下对民用通信系统也会产生一些影响。

当然,随着量子通信技术的不断的发展,我国有望在未来向民用通信进行普遍推广。