墨子号上天的那些事

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-20

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  2016年8月16日1时40分,中国发射了人类历史上第一个量子科学实验卫星——墨子号。这拉开了一个新时代的序幕,中国作为先驱推出一个大科学项目(中科大和中科院多个研究所负责),而不是亦步亦趋地跟在别人后面。两千多年前,墨子可能是世界上首个发现光沿直线传播的人类,两千多年后,墨子号则可能是即将颠覆经典通信方式的先驱者。而在此幕后,则是中国科学家们默默付出了十数年的心血。要想清楚的知道墨子号的使命和意义,或许下面几个问题是要明白的。

 

什么是量子?

  或许有人会问,我们balabala讲了这么多大道理,怎么都没有讲到“量子”的意思?不是听别人说量子力学里什么东西都是分成一份份的嘛?其实这么说并不准确。如果单看非相对论量子力学,有很多东西都是非量子化的,只有存在于“束缚态”的粒子有量子化现象。束缚态说的是一个粒子在一个势阱里面,由于能量不足以冲出去,空间上热运动受到一定的束缚。在这样的状态下,粒子状态的微分方程能够得到的解往往是离散的,就好像两端固定的弦有离散的可取的波长一样,或者像四周固定的鼓有特定的一些离散的频率一样。量子化这个概念本身就可以通过数学手段导出的,只是薛定谔在量子力学引入了“波函数”概念,把态的方程变成了波函数的微分方程,因此才“变出了”量子化这个概念。

  后来出现了相对论量子力学——量子场论后,我们发现“粒子”这样一个离散的概念也是一种量子化的产物。或者说,是一种叠加的粒子运动路径的积分。费曼创立的路径积分主要是尝试在描述这一个现象。将粒子所有可能的运动路径统统叠加起来,我们就得到了粒子所有可能存在的位置与概率。

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路径积分示意图

  早期爱因斯坦发现的光量子现象就是一个鲜明的例子,只是当时还没有一个完整的理论可以描述它。到了相对论量子力学这里,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,我们就说这个物理量是量子化的,把这个最小单位称为量子。比如光就是光量子,一束光波最少包含一个光子,再少就是不符合理论基础的,是不存在的。

  其实我们并不用太过于沮丧自己不懂得量子力学,相比之下,这个人简直弱爆了……

  “如果能弄明白为什么会有量子纠缠,我立即死了都愿意。“ —— 潘建伟

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潘建伟教授

 

量子隐形传态    

  量子隐形传态在什么时候实现的呢?答案是在1997年,当时潘伟健教授在奥地利因斯布鲁克大学( Universität Innsbruck)教授组攻读博士学位,他们在《Nature》上发表了一篇题为《Experimental Quantum Teleportation》的论文,潘建伟教授是第二作者。这篇文章后来入选了《Nature》“百年物理学21篇经典论文”之一,与其并列的成果包括伦琴发现X射线,爱因斯坦建立相对论,沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。即使对于我们不怎么知晓科学界论文水准的吃瓜群众来说,这个论文阵容也真是强大的要死。当然,我个人认为量子隐形传态的重要性不如那些神级成果。但平心而论,这个论文已经相当了不起了,尤其是在基础科学很久没有革命性突破的现代。

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塞林格

  现在总算可以说说潘建伟教授研究组最新的研究进展了,在1997年,他们小组率先完成了单个光子的单个自由度的量子隐形传态实验。说到这里,再跟大家多说一点自由度是什么。自由度是确定一个系统在空间中的位置所需要的最小坐标数。例如火车车厢沿铁轨的运动,只需从某一起点站沿铁轨量出路程,就可完全确定车厢所在的位置,即其位置用一个量就可确定,我们说火车车厢的运动有一个自由度;汽车能在地面上到处运动,自由程度比火车大些,需要用两个量(例如直角坐标x,y)才能确定其位置,我们说汽车的运动有两个自由度;飞机能在空中完全自由地运动,需要用三个量(例如直角坐标x,y,z)才能确定其位置,我们说飞机在空中的运动有三个自由度。所谓自由度数就是确定物体在空间的位置所需独立坐标的数目。在量子力学中,描述光子需要有自旋角动量和轨道角动量。如果看不懂这俩词,没关系,只要清楚它们对应两个自由度就行了。在1997年的实验中,他们传输的仅仅是自旋角动量的状态。微观粒子是有全同性的,只要两个粒子状态一样,没人可以区分两个粒子的不同。同样,要想真正传输一个光子的完整状态,就需要把这两个自由度的信息都传输过去。潘建伟教授研究组实现的就是这个事情。所以真正意义上的量子隐形传态,是在2015年才实现的。我们不妨打一个比喻,现在用颜色和速度表示状态,A是红色的慢速光子,B是绿色的快速光子,通过量子隐形传态,我们可以让A变成绿色的快速光子,同时B变为红色的慢速光子。

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双自由度量子隐形传态

  我们不禁有个疑问:这两个实验之间为什么隔了18年之久呢?因为前面说的全都是理论结果,但是在现实中实验操作中就会有非常多的技术困难。其实这是科学研究的常态,基础学科研究层次往往受限于工程技术的发展水平。举个例子,在没有发现各种射线的近代物理学中,原子系统模型仅仅是一个猜想,但是当科学家们发现各种射线之后,原子物理出现了井喷式的发展。再者,现代超高能级粒子加速器的出现让基础粒子模型的发展得到了长足的发展,在四个基本作用力的关系中也发现了电弱相互作用,为爱因斯坦梦想的大一统理论奠定了坚实的基础。每当工程技术取得进展,伴随的往往是科研水平的快速发展。

  为了解决这些工程学上的困难,他们巧妙地设计了利用单光子非破坏测量技术实现自旋和轨道角动量多自由度贝尔态测量的新方案,制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件,搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台。对量子信息的业外人士来说,这些是技术细节了。重要的是,这些技术进步都非常新颖,非常困难,通过这些实验手段的创新,他们终于达到了多自由度隐形传态的目的。这是现代科研的常态,在一个看似简单的操作下面隐含着无数的技术细节。这是隔行如隔山的说法来源,也是为什么民科在当下的作用远远比历史上小的原因。

  很遗憾,量子隐形传态不是biu的一声把人传走。当然,可以说是朝这个方向前进了一步,而且是一大步。多大的一步?从零到一,再从一到二。不过,离传人有多远的距离呢?一个成年人身体中所有的原子大概是10^27个,原子系统中的全部自由度大概是10,所以实现传送一个人的状态需要10^28个自由度,而我们现在只能传输两个……

  但是我们无法否认他们工作的开创性,由于这项工作的重要性,《Nature》在同一期上评论道:“该实验为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步,并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元。”这是一个恰如其分的评价。至于能不能得诺奖我们仍不可知。科学最大的魅力之一,就是一切皆有可能。

 

量子计算机的展望

  墨子号升空,所承载的量子隐形传态技术的进展有希望带动中国量子计算基础的发展,在量子技术的黄金时代拔得头筹。但是即使能够建立出实用的量子计算机,它的单线程计算能力也不会比现在的计算机强上太多。量子计算机的强大之处在于其指数级上涨的并行处理能力,对于单线程任务,计算机的计算能力只由它能使用的存储有关,拥有无限存储的通用图灵机的计算能力是单线程计算的理论上限。

  如果真的能够建立出实用的量子计算机,它解决“部分问题”的速度会大幅度提升。对密码学的颠覆将是翻天覆地式的变革,因为几乎所有的大数分解和离散对数问题是拥有有效的量子算法的。用量子计算机对量子过程做模拟计算也会比现在快。有了实际的应用,对量子算法的研究肯定会加大力度,到时候应该会有很多有趣的新算法,其实现在已经有很多有趣的算法了。眼下,量子计算,量子计量学和量子安全的发展速度决定于科学的发展速度,也许会很迅速,但也有可能极其缓慢。如果真的出现了这种科技,那将为科技公司巨头带来极大改变。亚马逊、阿里巴巴、谷歌都想在变革来临之时,首先尝到甜头。这也是他们花重金投资该领域发展的原因。

  或者说谁先达到所谓的量子霸权(量子霸权“Quantum supremacy”是由谷歌的研究人员在一项研究中所给出的定义,描述了一个制造一台50量子比特的量子计算机的计划),也就是说谁设计的量子计算机运算能力是一台传统计算机所根本无法达到的,谁就能在未来占得先机,立于不败之地,毕竟知识是第一生产力嘛。

 

结尾感言

  墨子号上天,对于国人最重要的意义可能不仅仅在于其尖端的科技多么先进,它的意义更多在于时隔千年之后,证明中国人再一次摸到了引领世界科技的大门的门槛,就像以前的火药、指南针、印刷术一样,在短暂的低谷期后,中国又回到了世界的前列。请不要忘记曾经的我们从夏朝到明朝前中期一直处于世界科学与思想发展的巅峰。墨子号,不仅仅是一颗卫星,它让中国长期以来压抑的科学特性得以焕发光辉,未来还很长,我们要走的路还很多,任重而道远。长路漫漫,唯有上下而求索。

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