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【Nature長(zhǎng)篇新聞特稿報(bào)道潘建偉小組工作】“數(shù)據(jù)隱形傳輸：量子太空競(jìng)賽”：三年前，潘建偉將星際旅行帶到了中國(guó)長(zhǎng)城。從位于北京北部丘陵的長(zhǎng)城附近實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，將激光瞄準(zhǔn)16公里之外屋頂上的探測(cè)器，利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過去。三年前，潘建偉將星際旅行帶到了中國(guó)長(zhǎng)城。從位于北京北部丘陵的長(zhǎng)城附近實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，他和他的團(tuán)隊(duì)——來自合肥的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家們，將激光瞄準(zhǔn)16公里之外的屋頂上的探測(cè)器，然后利用激光光子的量子特性將信息“瞬移”過去。這刷新了當(dāng)時(shí)量子隱形傳態(tài)的世界紀(jì)錄，這是朝著實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)——將光子信息隱形傳送到衛(wèi)星——邁進(jìn)的重要一步。 如果這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，第一個(gè)“量子互聯(lián)網(wǎng)”將連接成功，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將是運(yùn)用亞原子尺度物理規(guī)律創(chuàng)建的一個(gè)超級(jí)安全的全球通信網(wǎng)絡(luò)。這也標(biāo)志著中國(guó)在量子領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國(guó)家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅。2016年，中國(guó)將領(lǐng)先歐洲和北美，發(fā)射一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。這將為物理學(xué)家提供一個(gè)測(cè)試量子理論基礎(chǔ)以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對(duì)論的全新平臺(tái)。 這也將標(biāo)志著潘建偉與維也納大學(xué)的物理學(xué)家塞林格的友好友誼（雖然存在激烈競(jìng)爭(zhēng)）達(dá)到高峰。塞林格曾是潘建偉的博士導(dǎo)師；隨后7年，二人在遠(yuǎn)距離量子隱形傳態(tài)研究的賽跑中棋逢對(duì)手；目前他們又建立了合作關(guān)系。一旦衛(wèi)星發(fā)射，兩位物理學(xué)家將創(chuàng)建了第一個(gè)洲際量子加密網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星連接亞洲和歐洲。“我們中國(guó)有句老話，一日為師終生為父，”潘說，“科研上，塞林格和我平等合作，但在情感上我一直把他當(dāng)作我尊敬的長(zhǎng)輩。” 迅速崛起 2001年，潘建偉建立了中國(guó)第一個(gè)光量子操縱實(shí)驗(yàn)室；2003年，他提出了量子衛(wèi)星計(jì)劃。那時(shí)的他才30歲出頭。2011年，41歲的潘建偉成為當(dāng)時(shí)最年輕的中科院院士。潘小組的成員陳宇翱說：“他幾乎單槍匹馬地推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目，并使中國(guó)在量子領(lǐng)域有了立足之地�！� 潘建偉的動(dòng)力要追溯到上世紀(jì)80年代后期他在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)讀本科的時(shí)候，他第一次接觸到了原子領(lǐng)域一些奇怪的概念。微觀客體可以處于多個(gè)狀態(tài)的迭加態(tài)：例如，一個(gè)粒子可以同時(shí)處在順時(shí)針自旋狀態(tài)和逆時(shí)針自旋狀態(tài)，或者可以同時(shí)存在于兩個(gè)地方。這種多重的個(gè)性在數(shù)學(xué)上用波函數(shù)來描述，波函數(shù)給出了粒子處于每個(gè)狀態(tài)的概率。只有在粒子的某一特性被測(cè)量時(shí)，波函數(shù)才會(huì)坍塌，相應(yīng)的粒子才會(huì)處于一個(gè)確定地點(diǎn)的確定狀態(tài)。至關(guān)重要的是，即使在原則上都無法預(yù)言單次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，粒子處于每個(gè)狀態(tài)的概率僅表現(xiàn)為一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布，并且只有通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得到。 由于量子糾纏特性，當(dāng)考慮兩個(gè)或更多個(gè)粒子時(shí)，情況變得更加古怪了。多粒子系統(tǒng)可以被制備到某種狀態(tài)：即使粒子間距離遙遠(yuǎn)，即使粒子的物理性質(zhì)僅當(dāng)其被測(cè)量時(shí)才會(huì)存在確定的值，對(duì)于每個(gè)粒子某個(gè)物理性質(zhì)的測(cè)量結(jié)果之間總是會(huì)存在某種關(guān)聯(lián)性。這種怪異性就好比分別位于維也納和北京的兩位物理學(xué)家同時(shí)擲硬幣，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)每次結(jié)果都是正面朝上或者都是反面朝上。“我對(duì)這些奇怪的量子特性感到著迷，”潘建偉說，“它們幾乎使我無法分心去學(xué)習(xí)其它東西。”他想驗(yàn)證這些不可思議的理論，但是在當(dāng)時(shí)的中國(guó)找不到合適的量子物理實(shí)驗(yàn)室。 當(dāng)時(shí)像潘建偉這樣處于萌芽階段的中國(guó)物理學(xué)家的正常發(fā)展之路就是去美國(guó)深造——對(duì)他們而言這個(gè)過程再自然不過了，事實(shí)上，當(dāng)時(shí)很多中國(guó)科大學(xué)子戲言他們學(xué)校的縮寫“USTC”其實(shí)是“United States Training Centre”（美國(guó)人才培訓(xùn)中心）之意。但潘建偉只想拜量子實(shí)驗(yàn)大師為師，對(duì)于他來說，這位實(shí)驗(yàn)大師就是塞林格。 1989年，塞林格曾經(jīng)與兩位物理學(xué)家——現(xiàn)紐約市立大學(xué)的物理學(xué)家丹尼爾•格林伯格和現(xiàn)馬薩諸塞州伊斯頓斯通希爾學(xué)院的米切爾•霍恩——合作發(fā)現(xiàn)了關(guān)于三個(gè)或更多粒子糾纏的一個(gè)重要定理。這項(xiàng)工作不僅對(duì)于該領(lǐng)域而言還是對(duì)于賽林格而言都是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)�！霸诟鞣N會(huì)議上，我意識(shí)到一些非常著名的年長(zhǎng)的物理學(xué)家們開始把我看作量子專家了�！�20世紀(jì)90年代中期，塞林格在奧地利因斯布魯克大學(xué)建立了自己的量子實(shí)驗(yàn)室，并且需要一名學(xué)生來檢驗(yàn)他的實(shí)驗(yàn)猜想。潘看上去是一個(gè)理想的選擇。于是，與大多數(shù)中國(guó)學(xué)生的選擇不同，潘去了奧地利師從塞林格，與賽林格開始了一段決定他們二人此后二十年間事業(yè)上并駕齊驅(qū)的關(guān)系。 當(dāng)時(shí)潘雖然還只是名研究生，但卻懷著為祖國(guó)服務(wù)的巨大心愿。第一次見面時(shí)，塞林格問潘的夢(mèng)想是什么。潘回答說：“在中國(guó)建立一個(gè)像您實(shí)驗(yàn)室這樣的世界領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)室�！边@給塞林格留下了深刻的印象�！芭藙倎淼臅r(shí)候，他對(duì)如何在實(shí)驗(yàn)室工作所知了了，但他很快就掌握了游戲規(guī)則，并很快就開始了他自己的實(shí)驗(yàn)。”塞林格說，“我一直相信他會(huì)前程似錦，但沒想到他居然如此成功，我想這是任何人都無法事先預(yù)料的。我為他感到非常驕傲�！� 當(dāng)潘在塞林格實(shí)驗(yàn)室施展他的專業(yè)才華時(shí)，世界各地的物理學(xué)家慢慢認(rèn)識(shí)到，曾令潘著迷的深?yuàn)W難懂的量子特性可被用來創(chuàng)造超強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)通過編碼于二進(jìn)位數(shù)——一連串的“0”和“1”——上的信息而緩慢地運(yùn)行。但早在1981年，物理學(xué)家理查德•費(fèi)曼就指出，量子位，又稱“量子比特”，不會(huì)如此步履維艱。因?yàn)橐粋�(gè)量子比特可以同時(shí)存在于0和1的疊加，它可能建立更快、更強(qiáng)大的能夠?qū)⒍鄠�(gè)量子比特糾纏起來的量子計(jì)算機(jī)，以驚人的速度并行地執(zhí)行某些運(yùn)算。 另一個(gè)新興概念是極度安全的量子加密，可在如銀行交易等方面獲得應(yīng)用。其中的關(guān)鍵是測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)會(huì)不可避免地破壞這個(gè)系統(tǒng)。因此，兩個(gè)人Alice和Bob能夠產(chǎn)生并共享一套量子密鑰，其安全性在于來自竊聽者的任何干擾都會(huì)留下痕跡。 在2001年潘回到中國(guó)的時(shí)候，量子技術(shù)的潛力已經(jīng)得到公認(rèn)，并吸引了中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的財(cái)政支持�！昂苄疫\(yùn)，2000年中國(guó)經(jīng)濟(jì)開始增長(zhǎng)，因此很快迎來了從事科研工作的好時(shí)候，”潘說。他全身心投入了他的夢(mèng)想實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。 這個(gè)時(shí)候，在奧地利，塞林格轉(zhuǎn)到維也納大學(xué)，在那里，因?yàn)樗倪h(yuǎn)見卓識(shí)，他繼續(xù)創(chuàng)造著量子記錄。他最著名的實(shí)驗(yàn)之一表明，巴基球（含有60個(gè)碳原子的富勒烯分子）可以表現(xiàn)出波-粒二像性，這是一個(gè)奇特的量子效應(yīng)，很多人曾認(rèn)為在如此大的分子中不可能存在這種效應(yīng)�！懊總�(gè)人都在談?wù)摽梢杂眯〉碾p原子分子來嘗試一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)，”塞林格回憶說，“我說，‘不，伙伴們，不要只是思考前面的一兩步，請(qǐng)思考一下我們?nèi)绾文軐?shí)現(xiàn)一個(gè)超出所有人想象的大跳躍�！� 這使得潘深受教益。世界各地的物理學(xué)家們開始構(gòu)思利用尚未實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)來連接的未來量子互聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)大多數(shù)人仍滿足于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部安全地得到量子信息時(shí)，潘已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實(shí)現(xiàn)信息的隱形傳送。 紐約IBM的計(jì)算機(jī)科學(xué)家查爾斯•貝內(nèi)特和他的同行1993年首次提出所謂“量子隱形傳態(tài)”的概念。這名副其實(shí)，陳說：“它就像星際旅行一樣，”它使得關(guān)于一個(gè)量子客體的全部信息在某個(gè)地點(diǎn)被掃描輸入，并在一個(gè)新的地點(diǎn)重構(gòu)出來。這其中的關(guān)鍵是糾纏：對(duì)處于糾纏態(tài)的其中一個(gè)粒子的操作會(huì)影響到另一個(gè)粒子。不管兩個(gè)粒子距離多遠(yuǎn)，它們可以像一條量子電話線兩端的電話機(jī)那樣被操控，在兩個(gè)相距甚遠(yuǎn)的地點(diǎn)之間傳送量子信息。 當(dāng)同時(shí)產(chǎn)生的糾纏粒子被發(fā)送到電話式連接的兩端時(shí)，問題就出現(xiàn)了。傳遞過程充滿噪音、散射相互作用和各種形式的其它干擾，任何一種干擾都會(huì)破壞隱形傳態(tài)必需的精巧的量子關(guān)聯(lián)。例如，目前糾纏光子通過光纖傳輸，但是光纖吸收光，這使得光子的傳輸距離僅限于幾百公里。標(biāo)準(zhǔn)的放大器不起作用，因?yàn)榉糯筮^程會(huì)破壞量子信息。陳說：“要在城域距離之外實(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)，我們需要衛(wèi)星的幫助。” 但是當(dāng)光子向上通過地球的湍流大氣層到達(dá)幾百公里的衛(wèi)星時(shí)，糾纏會(huì)不會(huì)繼續(xù)保持？為了回答這個(gè)問題，潘的研究團(tuán)隊(duì)（包括陳在內(nèi)）于2005年開展了晴空下傳輸距離不斷擴(kuò)大的地基可行性實(shí)驗(yàn)，探究光子與空氣分子發(fā)生碰撞后糾纏性質(zhì)能否繼續(xù)維持。但他們還需要建立靶標(biāo)探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器必須小到能夠裝配到衛(wèi)星上，并且必須足夠靈敏，以能夠從背景光中篩選出被傳送的光子。并且他們還得保證他們可以將光子束足夠聚焦以能打到探測(cè)器。 這個(gè)工作激起了塞林格的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)�！爸袊�(guó)人在做了，因此我們想，為什么我們不試試呢？”塞林格笑著說，“一些友好的競(jìng)爭(zhēng)總是好的�！备�(jìng)爭(zhēng)促使光子傳輸距離的世界紀(jì)錄不斷被刷新。在接下來的七年中，在合肥展開一系列實(shí)驗(yàn)，然后是在北京長(zhǎng)城，最終在青海，中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)將隱形傳態(tài)的距離越推越遠(yuǎn)，直到它超過97 公里。5月份，他們將成果張貼在物理預(yù)印本服務(wù)器ArXiv上，這讓奧地利團(tuán)隊(duì)十分懊惱，因?yàn)樗麄冋谧珜懺诩幽抢簫u間隱形傳態(tài)光子的實(shí)驗(yàn)論文。8天后，他們?cè)贏rXiv上貼出了論文，報(bào)道他們隱形傳態(tài)143公里的新紀(jì)錄。兩篇文章先后發(fā)表在《自然》雜志上�！拔艺J(rèn)為這可以表明一個(gè)事實(shí)，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有不同和互補(bǔ)的價(jià)值，”維也納大學(xué)物理學(xué)家、奧地利團(tuán)隊(duì)成員馬曉松說。 兩支團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為向衛(wèi)星進(jìn)行隱形傳態(tài)在科學(xué)原理上已不存在問題。目前他們亟需一顆衛(wèi)星來裝載功能齊備的有效載荷設(shè)備來開展相關(guān)的量子實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。塞林格研究組一直在與歐洲航天局商討建立量子衛(wèi)星計(jì)劃，但這些努力因拖延而漸漸告吹。塞林格說：“它的運(yùn)行機(jī)制慢到無法做出任何決策。”歐空局的猶豫使中國(guó)國(guó)家航天局乘勢(shì)得以擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。潘在這方面起了決定性的推進(jìn)作用，“量子衛(wèi)星”計(jì)劃于2016年發(fā)射。這使得潘在量子空間競(jìng)賽中處于領(lǐng)先地位，他的研究團(tuán)隊(duì)將著手開展大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。 成功的關(guān)鍵 如果沒有通信對(duì)象，開發(fā)全球首個(gè)量子通信網(wǎng)絡(luò)就失去了意義。因此，潘建偉邀請(qǐng)他從前的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手加入這個(gè)項(xiàng)目。他們的第一個(gè)共同目標(biāo)是在北京和維也納之間生成和共享安全的量子密鑰。馬曉松說：“總之任何一個(gè)小組都無法獨(dú)立完成向衛(wèi)星隱形傳態(tài)這一極其艱巨的任務(wù)�！� 盡管對(duì)推進(jìn)技術(shù)前沿的承諾是中國(guó)政府的主要興趣所在，許多物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星項(xiàng)目因?yàn)槠渌N種原因而令人著迷。陳說：“作為一名科學(xué)家，驅(qū)使我不斷前行的動(dòng)力在于探尋更多的物理學(xué)基礎(chǔ)方面�！逼駷橹�，量子理論的奇妙之處在實(shí)驗(yàn)室里被不斷重復(fù)檢驗(yàn)，但這些檢驗(yàn)從未在太空尺度進(jìn)行過，而且有理論認(rèn)為，如果量子理論可能會(huì)在某處遭遇挑戰(zhàn)，那必然是太空。大尺度由另一個(gè)基本理論物理所掌控：廣義相對(duì)論。相對(duì)論將時(shí)間與三維空間交織，從而創(chuàng)造一個(gè)四維時(shí)空結(jié)構(gòu)，包括宇宙。在巨大物體如太陽周圍，這種可塑結(jié)構(gòu)將發(fā)生彎曲，表現(xiàn)為引力，引力將較小質(zhì)量的物體如行星拉向巨大物體。 目前的挑戰(zhàn)是，量子理論和廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)空概念有不同的理解，物理學(xué)家們一直致力于將其融合進(jìn)一個(gè)統(tǒng)一的量子引力理論框架。在愛因斯坦的繪景里，即使在無窮小尺度上，時(shí)空都是完全光滑的。然而量子不確定性卻意味著不可能在如此小的距離上測(cè)量空間性質(zhì)。目前尚不清楚是量子理論還是廣義相對(duì)論需要進(jìn)行修正，抑或二者都要進(jìn)行修正。衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)可以幫助測(cè)試量子理論的規(guī)則在引力牽引不能被忽略的尺度上是否仍然適用。 一個(gè)明顯的問題是，量子糾纏是否可以延伸到地球和衛(wèi)星之間。為了回答這個(gè)問題，研究組計(jì)劃在衛(wèi)星上制備一系列糾纏粒子對(duì)，將每對(duì)中的兩個(gè)粒子分別發(fā)送到兩個(gè)地面站，然后測(cè)量?jī)蓚�(gè)粒子的性質(zhì)以驗(yàn)證它們是否仍然存在關(guān)聯(lián)——現(xiàn)有的理論框架是否無懈可擊�！叭绻m纏不再存在，我們就不得不尋找另一種理論來代替量子理論，”研究向衛(wèi)星進(jìn)行隱形傳態(tài)方案的瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)理論物理學(xué)家尼古拉斯•布魯納說。 該衛(wèi)星還可更進(jìn)一步，檢驗(yàn)一些候選的量子引力理論對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)的預(yù)言。比如，所有這些理論都預(yù)測(cè)，如果科學(xué)家能以某種方式在10的負(fù)35次方米（即普朗克長(zhǎng)度）這一尺度觀測(cè)，空間、時(shí)間將呈現(xiàn)為顆粒狀。如果事實(shí)確實(shí)如此，那么光子從衛(wèi)星沿著這條顆粒感的道路將會(huì)輕微減速，而且偏振方向?qū)⒂幸粋�(gè)微小、隨機(jī)的偏轉(zhuǎn)——這些效應(yīng)足夠大，能夠在地面站被紀(jì)錄下來�！靶l(wèi)星將開啟一個(gè)真正全新的窗口，通往一個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家此前從未涉足的領(lǐng)域，非常神奇，”來自意大利羅馬薩皮恩扎大學(xué)的物理學(xué)家吉奧瓦尼•阿米力諾-卡米利亞說。 潘，賽林格和他們的團(tuán)隊(duì)目前正在仔細(xì)梳理最近加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所召開的一系列研討會(huì)上提出的各種想法。在這些研討會(huì)上，物理學(xué)家們被要求提出衛(wèi)星能夠測(cè)試的其他基礎(chǔ)性問題。這些問題包括：為何處于糾纏態(tài)的一個(gè)粒子總是知道遠(yuǎn)端那個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果呢？是否糾纏量子對(duì)通過某種未知的信息通道進(jìn)行通信？什么導(dǎo)致測(cè)量時(shí)量子波函數(shù)坍塌？是否引力在以某種不確定的方式在起作用？時(shí)間到底是像廣義相對(duì)論中所描述的是精確定義的量，或是量子力學(xué)所預(yù)言的模糊量？ 潘說，回答這類問題需要極度精密的實(shí)驗(yàn)儀器。但只要各團(tuán)隊(duì)能夠團(tuán)結(jié)協(xié)作，克服他們提出的技術(shù)挑戰(zhàn)將更加容易。奧地利的研究團(tuán)隊(duì)同樣以飽滿的熱情加入新的合作。就像塞林格所言：“我的一個(gè)學(xué)生正開始學(xué)習(xí)漢語。” 來源：《Nature》2012年12月5日 中文原文：http://news.ustc.edu.cn/xwbl/201301/t20130104_146417.html 英文原文：http://www.nature.com/news/data-teleportation-the-quantum-space-race-1.11958 |
| 我也是物理學(xué)專業(yè)的，現(xiàn)在都完全不著調(diào)了 |
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從小就喜歡自然科學(xué)，尤其是物理學(xué)，第一次知道量子物理的時(shí)候簡(jiǎn)直頭大，但多看了一些書、了解稍微深入一些后，又感覺特別興奮。 說實(shí)話，自從接觸到相對(duì)論，就很不喜歡它的一個(gè)結(jié)論——不可能以超光速傳輸有價(jià)值的信息，尤其是知道存在“量子糾纏”現(xiàn)象后。試問： 1、什么是有價(jià)值的信息？數(shù)字信號(hào)中單獨(dú)的bit位是有價(jià)值的信息嗎？誰能從單獨(dú)的bit位推斷并獲得出完整的數(shù)字信號(hào)呢？ 2、量子的糾纏既然能夠被測(cè)量到，那么這種能夠被測(cè)量到的狀態(tài)難道不是“有價(jià)值”的信息嗎？ |
