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量子纠缠的来历及应用前景

李龙臣
人们对量子的认识，与对光的认识密不可分。而对光和量子的认识，又离不开爱因斯坦。
在17世纪，荷兰物理学家、数学家和天文学家惠更斯创立光的波动说，认为光是一种机械波，由发光体引起，与声波一样依靠媒质来传播。
到18世纪，牛顿等人提倡光的微粒说。这种观念反映在1704年出版的《光学》一书中，认为光是发光体发出的弹性微粒流，直线行进。这可以很容易地解释光的直进、反射和折射等现象，曾被普遍地接受。
19世纪初，德国光学及物理学家弗琅和费发明衍射光栅，测定了光的波长。同时，法国物理学家菲涅耳用自己设计的双镜和双棱镜，做成了光的干涉实验。这些都证明了光的波动性，从而推翻了光的微粒论。
到19世纪后期，电磁学的发展确定了光实际上是一种电磁波，而不是像声波一样的机械波。光的电磁理论能说明光的传播、干涉、衍射、散射和偏振等许多现象。
到19世纪末和20世纪初，许多有关光和物质相互作用的现象，如光电效应，又不能用波动说来解释。
1905年，爱因斯坦提出光由光电子组成的观念。这似乎又恢复了光的微粒说而推翻了光的波动说。
但实际上，这种观念并不摒弃光具有波动性，而认为光具有波一粒二重性。在干涉、衍射等现象中显示出波动性。在显示波动性时，它的粒子性不显著，反之则波动性不显著。
1905年，爱因斯坦运用量子假设成功地说明了光电效应。爱因斯坦认为，能量是以微小份额的形式由光线携带的，他把携带能量的光的微小份额叫做“光量子”（后来被称为“光子”）。
比较亮的光线意味着有更多的能量，所以能从金属中打出更多的电子。而频率较高的光意味着更大的量子，所以打出来的电子具有更高的速度。光电效应是电视机和现代光检测器等的技术基础。
爱因斯坦阐明光电效应而对量子力学作出的贡献，使他获得1921年的诺贝尔物理学奖。这也是他获得的唯一诺贝尔奖。
爱因斯坦的光具有波一粒二象性，对量子力学的诞生十分重要。
1923年，一个叫德布罗意的法国年轻人首先意识到，不仅仅只有光有波一粒二象性，它还有更广泛的含意，如粒子也可表现为波。
1924年，他又将他的关系式写进博士论文。爱因斯坦看了论文后，认为德布罗意“已经把大面纱的一角揭开”。
由此可见，爱因斯坦为创立量子力学与薛定谔和德布罗意等人一起做了许多奠基的工作。但随着量子力学的发展，使得他们在新一代量子力学上，与玻尔、玻恩和海森堡等坚定的量子论者分道扬镳。爱因斯坦一辈子也不肯接受量子理论。
爱因斯坦与玻尔等人对量子力学进行过长达28年的论战。论战的核心是，原子是一个实在的东西，还是只是用来解释广泛观察结果的一种抽象构想。
在玻恩等人看来，原子的位置和运动只能得其一，而不能二者都得。
他们认为，由薛定谔归纳的方程，是新的基本力学的基础，它告诉人们，只能谈及原子和亚原子层次现象发生的几率，而不能准确地预言这些现象。宇宙不能独立于我们而存在。
爱因斯坦等人则认为，假如原子是一种独立的实体，那么，它就应该有位置和确定的运动。爱因斯坦认为，量子力学并不是真正的基本力学。
按照爱因斯坦的理解，量子理论与每一种合理的真实世界观念都相冲突。
爱因斯坦在一篇文章中说，量子力学只不过是对我们还不完全了解的事实作出统计说明的一种方法，其实在我们还不清楚的更深层次上，仍然是严格决定性的和因果性的。
爱因斯坦不喜欢量子力学，主要就是不喜欢“测不准原理”所包含的非决定论思想。
1926年他在写给玻恩的一封信中话：“无论如何，我坚信‘上帝不玩掷骰子’”。他还说过：“我不能想象，只是一只老鼠看了一下，就会使宇宙发生剧烈的变化。”“在我们不进行观测时，月亮是否存在？”这最集中地表现了他对非决定论的反感。此后，“上帝不掷骰子”，就成为一句名言。
1 927年，他在纪念牛顿逝世200周年时说过，“牛顿理论的精髓可能会给我们提供力量，去恢复物理现实与牛顿教诲中最深奥的特点一一严格的因果律一之间的和谐。”
薛定谔在与玻尔争论时也说过：“如果我们仍然不得不去建立这种该诅咒的量子跃迁，那我当初不该和量子论打交道。”
爱因斯坦反对量子论，先是企图寻找量子论内部细节的矛盾，证明它是不正确的。如在1930年布鲁塞尔的索尔维会议上，他提出一个论证，说明量子力学自相矛盾。玻尔等人则感觉到，爱因斯坦在论证中忽略了一些东西，于是便拼命地寻找这个漏洞。终于在会议结束前，他们向爱因斯坦证明：爱因斯坦所忽略的正是他自己的广义相对论效应。如果考虑了这个效应，爱因斯坦所谓的前后矛盾就消失了。
1935年，爱因斯坦为了从整体上证明量子论违反决定论和因果律，他与俄国人波多尔斯基，以及罗森合写了一篇论文。在论文中他们提出一个思想实验，后来被称为“爱因斯坦一波多尔斯基一罗森实验”。根据他们3人名字的第一个字母，也叫“EPR实验”。
他们设想，一个一分为二的粒子，各自不受干扰地做反向运动，可以运动到相距比30万千米还远得多的距离。根据不确定性原理，在对它们进行测量之前，它们的量子态（位置、动量、自旋、偏振等）是各种可能的量子态的线性叠加，就像薛定谔猫实验中活猫死猫状态叠加一样，其中包括它们每一半的自转都潜在着各种可能的方向。现在对其中的一半进行测量，它就立即成为一个实在的粒子。如果说这个实在的粒子的自旋是顺时针方向，那么，根据量子的相关性，可以立即作出判断，另一半会没有选择地成为逆时针自旋的实在粒子。这里，两个粒子之间的信息传递是超光速的，因而是违反相对论的，是不可能存在的。爱因斯坦嘲讽这是“幽灵式的超距作用”。
但是，坚持“测不准原理”的量子学家们认为，这种“幽灵式的超距作用”是存在的，它就是“量子纠缠”。这就产生了爱因斯坦与玻尔等人的长达28年的论战。
当然，也有人怀疑，这“幽灵式的超距作用”除了用“量子纠缠”来解释外，还有可能存在其他的解释，这些解释被称作“漏洞”。
但是，自从20世纪50年代以来，物理学家们进行的一系列精确的实验正在日渐堵上那些漏洞。
1951年，玻姆重新表述了“EPR实验”的思想，他用两个自旋分量代替原来的坐标和动量，为进一步研究、特别是实验检验奠定了基础。
1952年，玻姆又提出“隐变量”解释。玻姆认为，在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的，只是这条轨迹不仅由通常的力来决定，而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动。
1964年，荷兰科学家贝尔设计了一个排除“隐变量”的实验，证明了“EPR实验”中的“幽灵式的超距作用”，即“量子纠缠”是存在的。但是，有批评者仍然指出，除了“量子纠缠”之外，还有可能存在其他的解释（漏洞）。这些“漏洞”可以使“量子纠缠”现象的证据变得无效。
不过，到20世纪80年以后，更多的实验堵住了这些“漏洞”，实验结果都证明“量子纠缠”的存在。爱因斯坦等人在与玻尔的争论中输了。
1982年，阿斯派克特在巴黎理论和应用光学研究所的一个实验中证实，两个在宇宙中远远分离的粒子，可以以某种方式组成一个单一的物理整体，它们在遥远的时空区域之间，确实存在联系。
1 997年，奥地利塞林格小组在室内首次完成了“量子隐形传输态”的原理性实验验证。
2004年，奥地利该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子超时空穿越距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，“量子隐形传输态”的距离难以大幅度提高。
2005年，中国科学技术大学在合肥创造了13千米的自由空间双向量子纠缠“拆分”，同时验证了在太空与地球之间分发纠缠光子的可行性。
2007年开始，中国科大一清华大学联合研究小组在北京架设了长达16千米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“量子隐形传输态”。
2015年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家们把两颗钻石分别放在代尔夫特理工大学校园内的两侧，距离1.3千米。每块儿钻石含有一个可以俘获单个电子的微小空间，此空间具有一种称为“自旋”的磁性，然后用微波和激光能的脉冲来纠缠，并测量电子的“自旋”。校园的两侧设有探测器，两个电子之间的距离确保做测量的同时，信息无法以传统的方式交换。
正如一位科学家所说，由于爱因斯坦对量子论的观点，“使他的形象从远远走在时代前面，一变而为处在时代潮流之外”。
量子物理是奇特而深奥的，正如量子力学的坚定支持者尼·玻尔所说，“如果一个人说他可以思考量子物理学而不会感到迷惑，这只不过说明他一点也不懂量子物理学。”玻尔还针对爱因斯坦的“上帝不掷骰子”说：“亲爱的爱因斯坦不要指挥上帝做什么。”
霍金针对爱因斯坦“上帝不掷骰子”的名言调侃说：“上帝不只是掷骰子，还把骰子掷到我们看不到的地方！”
“上帝”确实只把宇宙当骰子玩，爱因斯坦想象的、一个完全决定性的宇宙，只是我们的“常识”看法而已。
今日的量子理论，几乎在所有科技领域得到了应用。即使那个被爱因斯坦嘲讽为“幽灵式的超距作用”的“量子纠缠”现象，也正在成为量子计算机的基础。
爱因斯坦既对量子理论的诞生做出了重要贡献，又坚决反对深入发展的量子理论。
为什么会有“量子纠缠”？这是因为量子态可以叠加。薛定谔猫实验中的猫，就是活猫死猫状态的叠加。我们也可以把一枚硬币的正反两面看作是量子态的叠加，当我们让硬币侧立着旋转时，我们无法确定硬币的正面和反面，只有到硬币倒下时，我们才知道它哪一面朝上。如果正面朝上，那么，反面一定朝下。
当然，硬币的两面无法分开，而量子（亚原子粒子）叠加的量子态是可以分开的。而且，不管它们分离多远，当一方发生变化，另一方也会随之变化。正因为如此，才被称为“量子纠缠”。
那么，如何使两个（或更多）粒子共享一个量子态呢？
人们迄今都利用晶体中的非线性过程来产生多光子纠缠态。如荷兰科学家用的是针石。
2000年，美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态。
2004年，我国合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员，成功实现五光子纠缠操纵。
2005年底，美国国家标准局和奥地利因斯布鲁克小组分别宣布实现了六个和八个离子的纠缠态。
2011年11月，中科院量子信息重点实验室宣布，成功制备出八光子纠缠态-GHZ态，并进一步利用产生出的纠缠态完成了八端口量子通信复杂性实验。
这种“量子纠缠”有着神奇的应用前景。这里略举几则：
量子加密通信
由于亚原子粒子的纠缠现象，在两个（或更多）相互纠缠的粒中，其中一个粒子的动作会影响另一个粒子的行为。比如在通讯中如果有人试图在一端窃听，那么另一端就能检测到这种干扰。
中国科学家试验“量子隐形传输态”，就是在一个新位置重建某个光子的量子态。中国201 6年8月1 6日发射的第一颗量子卫星“墨子”号，就是将光子对发射到北京和维也纳的地面接收站从而形成密锁。这项实验将尝试创造出一种高效可靠的“量子隐形传输态”方法。
量子加密通信系统彻底杜绝了窃听的可能性。因为量子力学的规律决定了量子态的光子不能被克隆。
据201 6年6月报道，俄罗斯已启用国内首条全长30千米的商用量子加密通信线路。
量子计算机
量子纠缠是量子计算机的基础。逻辑门是量子运算的基本构建模块。量子逻辑门是让两个独立的原子达到纠缠状态的一个操作。逻辑门的精度是衡量这一操作的运行情况。构建量子计算机，要求逻辑门必须达到一定的精度。
量子逻辑门本身虽然不能构成量子计算机，但如果没有量子逻辑门，也不可能构造出量子计算机。
据报道，英国牛津大学的研究人员已将量子逻辑门精度提高到99.9%。这意味着平均1 000次操作，有999次能够正确产生原子纠缠状态，达到了构建量子计算机所需要的理论精度基准。
量子计算机的运算能力大大超过现有计算机，能够搜索大型数据集、破解安全密码。量子计算机完全不同的运算技术和信息处理方式，能够模拟其它量子系统。人体就是一个量子系统，但各不相同，量子计算机将使每个人的身体成为每个人的身份证。因此，量子计算机除促进科学技术发展外，也可大大简化社会管理。
高分辨率的太空量子望远镜
实现“量子隐形传输态”后，便能创造出分辨率极高的太空量子望远镜。不仅能看到系外行星，甚至能看清木星卫星上车辆牌照大小的物体。还能搜索宇宙中与化学和生物学相关复杂分子的大型数据集，有助于揭示宇宙生命和外星人之谜。
时间旅游
爱因斯坦广义相对论认为，借助时空虫洞近道，可以迅速到达遥远的过去时空旅游。
2005年，物理学家戴夫·培根设想，使用可穿越时间的量子计算机，可在一系列“封闭时间曲线”中移动。这些封闭时间曲线是包围我们自身的时空网中的近道。通过这种近道，可以穿越到过去旅游。但是，用封闭时间曲线到过去时间旅游会导致不少问题，如杀死自己的祖父，从而阻断自己的诞生。
据报道，新加坡国立大学领导的一个国际研究小组证明，10年后，量子计算机可在“开放时间曲线”运行。这样，到过去时间旅游就不会发生杀一死自己祖父这样的事发生。因为“开放时间曲线不允许发生与过去任何物体所包含的数据直接互动。这样，在时间中旅游的粒子永远不会与自己相互影响。
而且，与“封闭时间曲线”相比，“开放时间曲线”更有可能在宇宙中存在。而“封闭时间曲线”可能不存在，因为迄今没有来自未来的人拜访过我们。
同时，在“开放时间曲线”中，任何来自未来的信息都是被封锁的。

-全文完-