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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 專業(yè)學科區(qū) » 物理 » 理論物理&天文 » 科研團隊證實量子糾纏
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科研團隊證實量子糾纏 已有3人參與
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量子真的也糾結！近一個世紀以來，科學家一直在為“量子糾纏”(quantum entanglement，有譯為“量子纏結”現象)而糾纏不休，因為這種微觀物理現象似乎不遵守物理學基本定律——光速不變，而被愛因斯坦斥為“幽靈般超距作用” 。今年年初，“量子糾纏”還被列為“21世紀十大待解科學謎團”之一。 但是，在最近在一個具有里程碑意義的研究中，一名荷蘭科學家領導的國際科研團隊表示，他們的實驗據說可以證明量子力學最根本的理論之一：物質的確可以遠隔萬里卻互相作用。這或許會打破愛因斯坦著名的“上帝不擲骰子”的說法，有科學家表示，該研究證實微觀世界中成對的亞原子粒子( sub-atomic particle)之間存在超越時空的信息傳遞方式。 據《紐約時報》10月22日報道，荷蘭代爾夫特理工大學(Delft University of Technology)的科學家采用貝爾實驗方法，證實相距1.3公里的成對電子之間存在“量子糾纏”。 一個半月前，觀察者網已經報道貝爾實驗原理，這項研究可能宣告愛因斯坦隱變量理論出局。 而荷蘭代爾夫特大學的用貝爾實驗證實了量子糾纏的研究，周三在國際權威科學雜志《自然》上公布，進一步證實了一個愛因斯坦曾經公開拒絕的想法。這一發(fā)現是對古典物理稱為“定域性原則”（locality）的基本原則又一打擊。其定律指出，一個物體只能被它周圍的環(huán)境直接影響。 進行該研究的首席科學家羅納德 漢森(Ronald Hanson)教授說，量子論必須承認“幽靈般的遠程效應”，他也拒絕接受“宇宙可以表現得如此奇怪，如此明顯地隨機”這一概念。 互相分離的粒子可以被完全“糾纏”，其結果是，無論兩個粒子之間的距離是多少，測量一個粒子幾乎同時會影響到另一個。愛因斯坦對這一說法更是嗤之以鼻，他對量子理論引入的不確定性不以為然，認為量子理論具有上帝玩骰子的暗示。 但自20世紀70年代起，物理學家一系列精確的實驗正在不斷地消除疑慮——一些被稱為漏洞的另類解釋——即使相隔整個宇宙，兩個已經糾纏的粒子可以立刻互動。 由荷蘭代爾夫特大學的科維理納米科學研究所，物理學家羅納德·漢森領導，以及來自西班牙和英國的科學家加盟進行的新實驗為量子力學以下理論提供了最有力的證明：由亞原子粒子纖維構成的奇怪世界的確存在，其中的物質在沒有被觀察之前，不具有任何形式，并且，時間不但向前行進也向后行進。 物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾1964年首先設計一個實驗作為證明“‘幽靈般的遠程效應’真實存在”的一種方法，因此，研究人員把他們的實驗稱為“沒有漏洞的貝爾測試”。 “自上世紀70年代，這些測試就已經完成，但總是需要額外的假設，”漢森博士說。“現在我們已經證實了幽靈般的遠程效應的確存在。” 根據這些科學家的論斷，他們現在已經排除了所有可能的所謂隱變量，那些根據經典物理定律，可能解釋遠距離糾纏的隱變量。 代爾夫特大學的研究人員能夠把相距1.3公里的兩個電子糾纏起來，然后在它們之間傳遞信息。物理學家使用“纏結”一詞表明他們使用某些方法來生成成對的粒子，其結果是它們彼此之間不獨立�？茖W家們把兩顆鉆石分別放在代爾夫特理工大學校園內的兩側，距離1.3公里。 每塊兒鉆石含有一個可以俘獲單個電子的微小空間，此空間具有一種稱為“自旋”的磁性，然后用微波和激光能的脈沖來糾纏，并測量電子的“自旋”。 校園的兩側設有探測器，兩個電子之間的距離確保做測量的同時，信息無法以傳統(tǒng)的方式交換。 “我想這是一個設計完美，巧妙的實驗，將有助于推進整個領域，”麻省理工學院物理學家大衛(wèi)·凱澤(David Kaiser)說，他沒有參與這項研究。然而，凱澤博士，和另一組物理學家正準備明年進行一個更加雄心勃勃的實驗，不久將截取和測量宇宙最邊緣的光。他還說，他認為荷蘭實驗并沒有解答所有的疑問。 測試發(fā)生在一個令人費解的和獨特的領域。根據量子力學，直到粒子被測量或以某種方式觀察到它們的時候才具有可以驗證的屬性。直到這時，它們可以同時出現在兩個或更多的地方。但是，一旦測得，它們塌陷成一個更經典的現實，只有一個位置。 證實存在超越時空和超光速現象 另據英國《每日郵報》10月21日報道，漢森教授說：“當看到兩個電子發(fā)生糾纏時，真是很有趣�！� 漢森教授的研究組在實驗中觀察電子的“旋轉”磁特性(spinning)，此特性有“上旋”(up)或“下旋”(down)的兩種表現。 漢森教授描述道：“兩個電子都是同時上下，觀察其中一個總是下旋，另外一個上旋。兩者完美地相互關聯，當觀察一個具有的磁特性時，另一個永遠是相反的特性。即使另一個電子在銀河系另一端的火箭上，它們之間的這種影響也是瞬時的�！� 漢森教授的研究組解釋，他們在該研究中消除了造成產生其他作用的隱藏變量，如將電子置于微小鉆石槽中，消除了主要的貝爾實驗“漏洞”(loophole)，因此所檢測的電子間不可能存在任何“秘密”通信機會，也不存在受檢電子被誤認為代表其他所有周圍粒子的情況。 《每日郵報》說，這項實驗表明成對的亞原子粒子之間存在一種超越時空的看不見連接。這是一項具有歷史意義的實驗，因為它為人們找到最明確的證據說明這種量子效應，證實曾被愛因斯坦認為的著名“幽靈般超距作用”是實實在在的。 雖然愛因斯坦認為這是不可能發(fā)生現象，他覺得空間中兩點之間的信息傳遞速度不可能比光速快，但是實際上，發(fā)生量子糾纏的一個亞原子粒子可以立即影響到另一個，無論二者相隔多遠，這種信息傳遞速度為超光速。 倫敦大學學院(University College London)納米技術專家約翰 莫頓(John Morton )教授認為，這是令人激動的結果，盡管有些科學家勉強接受這樣的事實：量子物理真的可以產生愛因斯坦所認為的“幽靈般超距作用”。 對于一些物理學家，盡管新的實驗聲稱“無漏洞”，事情還沒有完全結束�！斑@項實驗已經很漂亮地堵住了三大漏洞中的兩個，但三分之二是不是三分之三，”凱澤說�！拔沂窒嘈�，量子力學是大自然的正確描述。但是，坦率地說，我們還不到使用最強烈的語氣說話的地步。 向“量子互聯網”實用化前進一步 這項實驗具有深刻意義，會引發(fā)具有挑戰(zhàn)性的哲學問題。英國伯明翰大學(Birmingham University)凱伊 邦格斯(Kai Bongs)教授認為，這項研究不但向人們展示量子現象與傳統(tǒng)經驗之間的差異有多大，而且具有開發(fā)超級安全加密通信技術的實際意義。 《紐約時報》報道稱，這個實驗不僅僅證實了量子力學反常識的理論，也是朝著所謂的“量子互聯網”的實際應用前進了一步。目前，面對功率強大的計算機建構在大數因子分解能力基礎上的加密技術和另一些有關策略所具有挑戰(zhàn)性，互聯網的安全性和電子商務的基礎設施很令人頭疼。 像漢森一樣的研究人員設想一個由鏈狀糾纏粒子環(huán)繞整個地球而形成的量子通信網絡。這種網絡能夠安全地共享加密密碼，并且絕對能夠監(jiān)測到竊聽的企圖。 觀察者網注意到，在量子網絡研究領域，中國科學家處在世界領先水平。中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室李傳鋒研究組，日前成功實現確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲。該成果在國際上首次實現量子點與固態(tài)量子存儲器兩種不同固態(tài)系統(tǒng)之間的對接，并實現了100個時間模式的多模式量子存儲，模式數創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網絡的實現打下了堅實的基礎。 延伸閱讀： 今年科學家對量子糾纏還有哪些研究？ 量子瞬間傳輸 中國人又近了一步 《科技日報》3月5日報道，如果你能擁有一項超能力，你會選擇什么？相信“瞬間移動”會是不少人兒時的夢想。這種超能力在物理學上并非不可能。如果我們能夠對構成物體的每一個粒子進行測量，然后在目的地用同樣的粒子完全復制其狀態(tài)，就可以得到一模一樣的物體。如今，中國科學家在這項技術上取得了重大突破。 今年2月26日，《自然》雜志發(fā)表封面文章，介紹了中國科技大學潘建偉項目組的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究。通俗地說，這一技術可以讓科學家在異地瞬間獲知粒子狀態(tài)，從而開啟了瞬間傳輸技術的大門。 5日的政協(xié)小組會上，全國政協(xié)委員潘建偉用一個比喻解釋了這項研究：“從合肥帶到北京一個保險箱，鑰匙忘帶了。于是我請合肥的同事測量一下鑰匙，告訴我；我在北京復制它�！� “量子隱形傳態(tài)”的原理是基于“量子糾纏”。 中科大網站介紹說，1997年，國際上首次報道了單一自由度量子隱形傳態(tài)的實驗驗證，該工作隨后與倫琴發(fā)現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現DNA雙螺旋結構等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學21篇經典論文”。 然而，以往所有的實驗實現都存在著一個根本的局限，即只能傳輸單個自由度的量子狀態(tài)，而真正的量子物理體系自然地擁有多種自由度的性質，即使是一個最簡單的基本粒子，如單光子，它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等等。 潘建偉對科技日報介紹說：“測量一個自由度，不干擾其他自由度，很困難。好比測量身高，尺子一拉，體重就受了影響。” 中科大此次就是進一步發(fā)展出了“非摧毀性的測量技術”。經過多年艱苦努力，研究人員成功制備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件，突破了以往國際上只能操縱兩光子軌道角動量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺，從而首次讓一個光子的“自旋”和“軌道角動量”兩項信息能同時傳送。 量子糾纏或許存在“金發(fā)女孩效應” 《科技日報》10月13日報道，就像童話故事《金發(fā)姑娘和三只熊》中所描述的，凡事都應有度，而不能超越極限，按照這一原則行事產生的效應，人們稱之為“金發(fā)女孩效應”。一項新研究預測，量子糾纏（物質與光之間相互作用的狀態(tài)）也存在這種效應，并提出宇宙在“既不太快也不太慢”的情況下起源。 據物理學家組織網報道，通過研究物質和光同時存在的系統(tǒng)（包括宇宙在內），研究人員發(fā)現，以適中的速度經歷量子相變會產生最豐富、最復雜的結構。這些結構類似于平滑、空洞的空間中的“缺陷”。研究結果發(fā)表在美國物理學會主要會刊《物理評論A》上。 在日常世界中，一種物質可以在不同的溫度條件下經歷相變，例如水可以在足夠熱或足夠冷的條件下變成水蒸氣或冰。但是在量子世界中，一個系統(tǒng)可以在絕對零度的情況下經歷相變，只要改變光和物質之間互相作用的量就可以。這種相變會產生量子糾纏。 科學界普遍認為，宇宙中星團、行星系統(tǒng)、星系等結構的誕生源于量子相變，而且經歷相變的速度越快，產生的結構就越多。最新研究否定了這種說法。 “我們的研究認為宇宙是在適中的速度中被‘烹飪’出來的�！毖芯空咧弧⒚绹~阿密大學物理學教授尼爾·約翰遜說。他把經歷量子相變時光和物質高度糾纏的結構比作加熱牛奶和燕麥時從無到有形成的粥塊。如果以恰好的速度經歷相變，這種結構會更為復雜，這類似于以恰好的速度烹飪時，粥塊會更好吃。 該研究涉及多種規(guī)模不同的光與物質同時存在的系統(tǒng)，而且它所預測的量子糾纏的“金發(fā)女孩效應”可以在理想的條件下通過實驗設備實現。研究人員正試圖確定能夠產生加強的量子糾纏效應的精確條件，以供其他研究人員在實驗環(huán)境中實現他們所預測的情況。 最新研究為如何產生、控制和操縱量子糾纏帶來了啟發(fā)，也為開啟超快量子計算、超安全量子密碼、高精度量子計量學以及量子態(tài)隱形傳輸等下一代未來技術提供了鑰匙。 美日科學家發(fā)現時空可能來自量子糾纏 騰訊太空5月30日報道，東京大學科維理宇宙物理學與數學研究所科學家Hirosi Ooguri稱時空的出現可能來自量子糾纏，量子糾纏是個深奧的問題，關系到廣義相對論和量子力學，比如黑洞信息悖論等。根據科學家的研究發(fā)現，光量子糾纏和時空之間存在聯系，目前物理學家和數學家正在從量子糾纏的角度去解釋時空是如何出現的，這是廣義相對論與量子力學之間統(tǒng)一理論邁出的重要一步。除了日本東京大學外，美國加州理工學院的數學家馬蒂爾德等人也參與了本項研究，論文發(fā)表在物理評論快報上。 物理學家和數學家一直在尋找建立在廣義相對論和量子力學基礎之上的統(tǒng)一理論，廣義相對論解釋了引力和大質量天體的現象，比如恒星、星系在宇宙的運動等，而量子力學則從亞原子到分子尺度解釋微觀的現象�？茖W家認為應該還存在未知的全息原理能夠統(tǒng)一這兩個理論，并包含它們的基本特征，根據全息原理，原理的三維時空能夠由量子力學二維表面進行解釋。換句話說，廣義相對論中的三維時空來自量子力學的二維表面，但其中的過程一直是個謎。 不過東京大學和加州理工的科學家發(fā)現，量子糾纏能夠解決這個問題，利用量子理論計算能量密度，在三維時空中增加了引力相互作用，在二維量子表面上建立出時空模型。量子糾纏的重要性此前已經被科學界所知曉，但在時空中量子糾纏的具體作用仍然并不明了。量子糾纏在愛因斯坦的理論中被認為是超距作用，而東京大學和加州理工的科學家的研究表明，量子糾纏還可能產生額外的時空維度。 |
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