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【新澳门萄京娱乐场官网】“幽灵作用”上千公

2019-07-31 10:02

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在河北兴隆观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验。新华社记者 金立旺摄

2016年11月9日,在河北兴隆观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验。新华社记者 金立旺 摄

中国科学家利用量子科学实验卫星,在相距1200千米的两个地面站之间,成功完成了贝尔不等式的测量。这是首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。

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最近几天,中国“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发,并在此基础上首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,这个看似与常人不相关的新闻一度刷屏各大新闻网站。那么,在相距1200公里距离上实现量子纠缠分发,究竟意味着什么呢?

2016年12月10日,在西藏阿里观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验。新华社记者 金立旺 摄

2016年8月,我们国家发射了一颗量子科学实验卫星“墨子号”。它将首次开展星地间量子保密通信实验和量子隐形传态实验。“墨子号”的第三个任务,就是通过向地面发射一对对纠缠光子,来验证一下在量子力学中,“上帝”到底“掷不掷骰子”。

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世纪之争:量子力学是否完备

2016年12月22日,在云南丽江观测站,潘建伟、王建宇、彭承志等科研人员在做实验。新华社记者 金立旺 摄

量子力学有很多难以理解的现象。比方说,光子可以朝着某个方向进行振动,叫做偏振。在量子力学中,一个光子居然可以同时处在水平偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态。

中国科学家利用“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发,证明这种令爱因斯坦都感到困惑的“遥远地点间的诡异互动”在这样大的尺度上依然存在。

但如果你拿一个仪器在这两个方向上测量这样的光子,就会发现,每次测量只会得到其中一个结果:要么是水平的,要么是垂直的。测量结果完全随机。这就是量子力学的另一个怪现象:测量叠加态的结果“完全拼概率”!

世界首颗量子卫星“墨子号”首席科学家、中国科学院院士潘建伟说,这是首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

拼概率这种怪事,让量子力学的创始人之一爱因斯坦大感困惑,他说“上帝不掷骰子”!因此跟另一个创始人玻尔发生过一场论战。

6月16日国际权威学术期刊《科学》杂志以封面论文的形式刊登了中国科学家在空间量子物理研究方面取得的重大突破。

论战虽然很火爆,但直到两个人去世时,都没有分出胜负来。因为他们的争吵总是停留在理论上。而在物理学中,谁说了都不算,最后还得看实验。量子纠缠是量子物理中一个最深远和最令人费解的现象,被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”,它是两个粒子共同组成的量子状态,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其他粒子。

“幽灵作用”:世纪争论

尽管爱因斯坦不相信存在“遥远地点间的诡异互动”,他认为量子力学对客观世界的描述是不完备的,量子力学一定还有某些因素尚待发现。然而量子力学的另一位创始人玻尔认为量子力学没有问题,这种奇异现象是存在的。20世纪二三十年代,量子力学就在他们的争论中发展起来。

量子纠缠是量子物理中一个最深远和最令人费解的现象,被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,它是两个粒子共同组成的量子状态,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其它粒子。

贝尔不等式:用实验验证对错

尽管是量子力学的创始人之一,但爱因斯坦不相信存在“遥远地点间的诡异互动”,他认为量子力学对客观世界的描述是不完备的,量子力学一定还有某些因素尚待发现。然而量子力学的另一位创始人——玻尔认为量子力学没有问题,这种奇异现象是存在的。20世纪二三十年代,量子力学就在他们的争论中发展起来。

1964年,物理学家约翰·贝尔提出了一个实验方案,能够检验他们谁对谁错。他设计出一个数学公式,也就是贝尔不等式,提供了用实验在玻尔与爱因斯坦不同观点之间做出判决的机会。

到底哪一方理论正确,需要实验来检验。

新澳门萄京娱乐场官网,简而言之,贝尔要让一台机器不断向两个方向发射一对对纠缠光子,然后随机沿着不同的角度,分别对纠缠光子的偏振方向进行测量。无论它们相距多远,只要你测量其中一个光子,另一个光子也会瞬间发生响应。这是爱因斯坦说的“鬼魅般的超距作用”。

20世纪60年代,爱尔兰物理学家贝尔原本支持爱因斯坦的观点,他设计出一个数学公式,也就是贝尔不等式,提供了用实验在玻尔与爱因斯坦不同观点之间做出判决的机会。目前科学家所进行的所有实验都支持玻尔一方的观点。

如果量子力学如爱因斯坦所说,每单次的测量结果并不是完全随机产生的,而是由某种人们目前可能还暂时无法理解的所谓“隐变量”操纵的,并且一个地点的测量信息即使以光速飞行,也来不及在实验结束之前影响到另一个地点的测量,那么实验结果就会满足一个不等式,叫做贝尔不等式。

然而,目前的实验还存在漏洞。此外,量子纠缠在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其它因素的影响?潘建伟说,这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发;另一方面,要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。

在贝尔不等式的实验中,为了保证测量事件的类空间隔,科学家总是要将两个探测装置相隔一定距离放置。他们每做完一轮实验都会想,如果距离再远一些,量子纠缠是否仍然存在,贝尔不等式的结果会不会改变?会不会受到引力等其它因素的影响?于是,在科学精神的驱使下,科学家们将探测装置越放越远。

潘建伟说,由于量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。

如果在地面上做这个实验,光子就会受到大气的干扰,传输距离不可能太长。所以,之前科学家做过的最远距离的实验是相距144千米。而且,目前科学家所进行的所有实验都支持玻尔的观点。

他说,理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是利用量子中继,尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破,但是目前仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约而无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星,因为星地间的自由空间信道损耗小,在远程量子通信中比光纤更具可行性,结合卫星的帮助,可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。

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