新的實驗使我們在量子計算和加密上邁了一大步

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量子糾纏仍然是現代物理中最具挑戰性的領域之一。它被愛因斯坦描述為「幽靈般的超距作用」，科學家長期以來一直試圖調和量子力學的這個方面使之與經典力學保持一致。從本質上說，兩個粒子可以在很遠的距離上發生關聯的事實違反了定域性和實在性的定理。

形式上，這違反了已經使用幾十年的貝爾不等式。然而，在最近的一項研究中，來自路德維希 - 馬克西米蘭大學（LMU）和慕尼黑的馬克斯·普朗克量子光學研究所的研究團隊進行了一系列測試，這些測試再次違反了貝爾不等式，證明了糾纏的存在。

什麼叫量子糾纏？

在量子力學裡，當幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這現象為量子纏結或量子糾纏（quantum entanglement）。量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象，在經典力學裡，找不到類似的現象。

貝爾不等式又是什麼？

貝爾不等式為：|Pxz-Pzy|≤1+Pxy。

其中，Ax為正的意思是在x軸上觀察到A量子的自旋態為正，而Pxz代表Ax為正和Bz為正的相關性。在經典力學中，此不等式成立。在量子世界中，此不等式卻不成立。貝爾定理意味著，阿爾伯特·愛因斯坦所主張的定域性原理，其預測不符合量子力學理論。

愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）

來源：CERN

他們的研究題為「 使用糾纏原子同時關閉檢測和定域性漏洞，驗證貝爾不等式的測試已就緒 」，最近在《物理評論快報》上發表。由LMU的物理學家和馬克思普朗克量子光學研究所的文傑明·羅森菲爾德領導，該團隊試圖通過使相隔一段距離的兩個粒子產生糾纏來測試貝爾不等式。

貝爾不等式（以愛爾蘭物理學家約翰·貝爾命名，於1964年提出）基本上闡述的是：物體的特性與被觀測到（實在性）無關，沒有任何信息或物理影響的傳播速度可以比光速（定域性）更快。這些定則完美地描述了我們人類每天經歷的現實——事物植根於特定的空間和時間，且獨立於觀察者而存在。

然而，在量子層面上，事物似乎不遵循這些規則。粒子不僅可以以非局部方式在很大的距離（即糾纏）上連接，而且在這些粒子被測量之前它們的性質不能被定義。儘管所有的實驗都證實了量子力學的預測是正確的，但一些科學家仍然堅持認為量子力學存在漏洞。

為了解決這個問題，慕尼黑小組在路德維希 - 馬克西米蘭大學運用兩個實驗室進行了一次實驗。第一個實驗室位於物理系的地下室時，第二個實驗室位於經濟系的地下室——兩者相距大約400米遠。在兩個實驗室中，團隊在局部陷阱中捕獲了一個銣原子，然後開始激發它們，直到它們釋放出單一的光子。

正如馬克斯?普朗克研究所的文雅明?羅森菲爾德博士在新聞稿中所說：

「我們的兩個觀察站是獨立運行的，並配有自己的激光和控制系統。兩個實驗室之間的間隔為400米，則實現實驗室之間的通信將需要1328納秒，這遠遠超過了測量過程的持續時間。因此，其中一個實驗室不能使用另外一個實驗室的測量信息。這就是我們解決定域性問題的方法。」

實驗在德國慕尼黑的路德維希·馬克西米蘭大學校園內相隔398米的兩個實驗室進行。

來源：American Physical Society

一旦將兩個銣原子激發到釋放光子的狀態時，銣原子的自旋態和光子的偏振態便能有效地發生糾纏。然後將光子耦合到光纖中並引導到設備中，在那裡它們被干擾。測量運行八天後，科學家們可以收集大約10,000組數據來檢查糾纏跡象。

它們的糾纏將由兩個被捕獲的銣原子的自旋確定，它們將指向相同的方向（或者相反的方向，這取決於糾纏的種類）。慕尼黑研究團隊發現：對於絕大多數數據來說，原子處於相同的狀態（或處於相反的狀態），只有六個偏差量符合貝爾不等式。

統計學上，這些實驗結果比2015年荷蘭物理學家團隊獲得的結果有著更加重大的意義。為了這項研究，荷蘭研究團隊利用相距1.3千米的兩顆鑽石進行了實驗。最後，他們的結果（以及最近關於貝爾不等式的其他測試結果）證明量子糾纏是確實存在的，有效避免了定域實在性漏洞。

正如文雅明·羅森菲爾德所說的那樣，在解決另一重大問題上由他的團隊主導進行的測試超越了其他的試驗項目。「我們能夠非常快速，高效地確定原子的旋轉狀態，」他說。「因此，我們避免了第二個潛在問題：假設觀察到的非常規現象是由檢測原子對的缺失引起的。

2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(Delft University of Technology)的科學家採用貝爾實驗方法，證實相距1.3公里的成對電子之間存在「量子糾纏」。

來源：荷蘭代爾夫特理工大學

通過掌握違反貝爾不等式的證據，不僅有助於科學家解決經典物理與量子物理之間曠日持久的矛盾。它們也提供了一些令人興奮的可能性。例如，多年以來，科學家一直在預測依靠糾纏來模擬零和壹二進位代碼量子處理器的發展。

依託量子力學的計算機將比傳統的微處理器快一些，並將迎來新的研究與開發時代。針對網路安全也提出了同樣的原則，即採用量子加密來加密信息，這使得利用常規計算機的黑客將對其束手無策。

中科院研製的光量子計算原型機結構圖

最後但同樣重要的是，量子糾纏通信的概念允許信息的傳輸速度快於光速。想像一下，如果我們不再受到相對論的限制，那麼我們是否擁有進行空間旅行和探索的可能性呢？

當他將量子糾纏定義為「幽靈般的相互作用」時，愛因斯坦沒有錯。事實上，這種現象的許多應用令物理學家們神魂顛倒的同時也會令其感到恐慌。在我們越接近理解它們的時候，我們也將越接近了解宇宙的所有已知物理作用力（或者說一切理論）是如何融合在一起的。

本文源自於Universe Today , 作者：Matt Williams

翻譯：李可為 | 校對：毛明遠

編排：李可為 | 配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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