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         量子真的也糾結(jié)！近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家一直在為“量子糾纏”(quantum entanglement，有譯為“量子纏結(jié)”現(xiàn)象)而糾纏不休，因?yàn)檫@種微觀物理現(xiàn)象似乎不遵守物理學(xué)基本定律——光速不變，而被愛(ài)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(jì)十大待解科學(xué)謎團(tuán)”之一。

但是，在最近在一個(gè)具有里程碑意義的研究中，一名荷蘭科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)表示，他們的實(shí)驗(yàn)據(jù)說(shuō)可以證明量子力學(xué)最根本的理論之一：物質(zhì)的確可以遠(yuǎn)隔萬(wàn)里卻互相作用。這或許會(huì)打破愛(ài)因斯坦著名的“上帝不擲骰子”的說(shuō)法，有科學(xué)家表示，該研究證實(shí)微觀世界中成對(duì)的亞原子粒子( sub-atomic particle)之間存在超越時(shí)空的信息傳遞方式。

據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》10月22日?qǐng)?bào)道，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(Delft University of Technology)的科學(xué)家采用貝爾實(shí)驗(yàn)方法，證實(shí)相距1.3公里的成對(duì)電子之間存在“量子糾纏”。

一個(gè)半月前，觀察者網(wǎng)已經(jīng)報(bào)道貝爾實(shí)驗(yàn)原理，這項(xiàng)研究可能宣告愛(ài)因斯坦隱變量理論出局。

而荷蘭代爾夫特大學(xué)的用貝爾實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子糾纏的研究，周三在國(guó)際權(quán)威科學(xué)雜志《自然》上公布，進(jìn)一步證實(shí)了一個(gè)愛(ài)因斯坦曾經(jīng)公開(kāi)拒絕的想法。這一發(fā)現(xiàn)是對(duì)古典物理稱(chēng)為“定域性原則”（locality）的基本原則又一打擊。其定律指出，一個(gè)物體只能被它周?chē)沫h(huán)境直接影響。

進(jìn)行該研究的首席科學(xué)家羅納德?漢森(Ronald Hanson)教授說(shuō)，量子論必須承認(rèn)“幽靈般的遠(yuǎn)程效應(yīng)”，他也拒絕接受“宇宙可以表現(xiàn)得如此奇怪，如此明顯地隨機(jī)”這一概念。

互相分離的粒子可以被完全“糾纏”，其結(jié)果是，無(wú)論兩個(gè)粒子之間的距離是多少，測(cè)量一個(gè)粒子幾乎同時(shí)會(huì)影響到另一個(gè)。愛(ài)因斯坦對(duì)這一說(shuō)法更是嗤之以鼻，他對(duì)量子理論引入的不確定性不以為然，認(rèn)為量子理論具有上帝玩骰子的暗示。

但自20世紀(jì)70年代起，物理學(xué)家一系列精確的實(shí)驗(yàn)正在不斷地消除疑慮——一些被稱(chēng)為漏洞的另類(lèi)解釋——即使相隔整個(gè)宇宙，兩個(gè)已經(jīng)糾纏的粒子可以立刻互動(dòng)。

由荷蘭代爾夫特大學(xué)的科維理納米科學(xué)研究所，物理學(xué)家羅納德·漢森領(lǐng)導(dǎo)，以及來(lái)自西班牙和英國(guó)的科學(xué)家加盟進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)為量子力學(xué)以下理論提供了最有力的證明：由亞原子粒子纖維構(gòu)成的奇怪世界的確存在，其中的物質(zhì)在沒(méi)有被觀察之前，不具有任何形式，并且，時(shí)間不但向前行進(jìn)也向后行進(jìn)。

物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾1964年首先設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)作為證明“‘幽靈般的遠(yuǎn)程效應(yīng)’真實(shí)存在”的一種方法，因此，研究人員把他們的實(shí)驗(yàn)稱(chēng)為“沒(méi)有漏洞的貝爾測(cè)試”。

“自上世紀(jì)70年代，這些測(cè)試就已經(jīng)完成，但總是需要額外的假設(shè)，”漢森博士說(shuō)。“現(xiàn)在我們已經(jīng)證實(shí)了幽靈般的遠(yuǎn)程效應(yīng)的確存在。”

根據(jù)這些科學(xué)家的論斷，他們現(xiàn)在已經(jīng)排除了所有可能的所謂隱變量，那些根據(jù)經(jīng)典物理定律，可能解釋遠(yuǎn)距離糾纏的隱變量。

代爾夫特大學(xué)的研究人員能夠把相距1.3公里的兩個(gè)電子糾纏起來(lái)，然后在它們之間傳遞信息。物理學(xué)家使用“纏結(jié)”一詞表明他們使用某些方法來(lái)生成成對(duì)的粒子，其結(jié)果是它們彼此之間不獨(dú)立?？茖W(xué)家們把兩顆鉆石分別放在代爾夫特理工大學(xué)校園內(nèi)的兩側(cè)，距離1.3公里。

每塊兒鉆石含有一個(gè)可以俘獲單個(gè)電子的微小空間，此空間具有一種稱(chēng)為“自旋”的磁性，然后用微波和激光能的脈沖來(lái)糾纏，并測(cè)量電子的“自旋”。

校園的兩側(cè)設(shè)有探測(cè)器，兩個(gè)電子之間的距離確保做測(cè)量的同時(shí)，信息無(wú)法以傳統(tǒng)的方式交換。

“我想這是一個(gè)設(shè)計(jì)完美，巧妙的實(shí)驗(yàn)，將有助于推進(jìn)整個(gè)領(lǐng)域，”麻省理工學(xué)院物理學(xué)家大衛(wèi)·凱澤(David Kaiser)說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。然而，凱澤博士，和另一組物理學(xué)家正準(zhǔn)備明年進(jìn)行一個(gè)更加雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)，不久將截取和測(cè)量宇宙最邊緣的光。他還說(shuō)，他認(rèn)為荷蘭實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有解答所有的疑問(wèn)。

測(cè)試發(fā)生在一個(gè)令人費(fèi)解的和獨(dú)特的領(lǐng)域。根據(jù)量子力學(xué)，直到粒子被測(cè)量或以某種方式觀察到它們的時(shí)候才具有可以驗(yàn)證的屬性。直到這時(shí)，它們可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)或更多的地方。但是，一旦測(cè)得，它們塌陷成一個(gè)更經(jīng)典的現(xiàn)實(shí)，只有一個(gè)位置。

證實(shí)存在超越時(shí)空和超光速現(xiàn)象

另?yè)?jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》10月21日?qǐng)?bào)道，漢森教授說(shuō)：“當(dāng)看到兩個(gè)電子發(fā)生糾纏時(shí)，真是很有趣。”

漢森教授的研究組在實(shí)驗(yàn)中觀察電子的“旋轉(zhuǎn)”磁特性(spinning)，此特性有“上旋”(up)或“下旋”(down)的兩種表現(xiàn)。

漢森教授描述道：“兩個(gè)電子都是同時(shí)上下，觀察其中一個(gè)總是下旋，另外一個(gè)上旋。兩者完美地相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)觀察一個(gè)具有的磁特性時(shí)，另一個(gè)永遠(yuǎn)是相反的特性。即使另一個(gè)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(shí)的。”

漢森教授的研究組解釋?zhuān)麄冊(cè)谠撗芯恐邢嗽斐僧a(chǎn)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(shí)驗(yàn)“漏洞”(loophole)，因此所檢測(cè)的電子間不可能存在任何“秘密”通信機(jī)會(huì)，也不存在受檢電子被誤認(rèn)為代表其他所有周?chē)Ｗ拥那闆r。

《每日郵報(bào)》說(shuō)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明成對(duì)的亞原子粒子之間存在一種超越時(shí)空的看不見(jiàn)連接。這是一項(xiàng)具有歷史意義的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼮槿藗冋业阶蠲鞔_的證據(jù)說(shuō)明這種量子效應(yīng)，證實(shí)曾被愛(ài)因斯坦認(rèn)為的著名“幽靈般超距作用”是實(shí)實(shí)在在的。

雖然愛(ài)因斯坦認(rèn)為這是不可能發(fā)生現(xiàn)象，他覺(jué)得空間中兩點(diǎn)之間的信息傳遞速度不可能比光速快，但是實(shí)際上，發(fā)生量子糾纏的一個(gè)亞原子粒子可以立即影響到另一個(gè)，無(wú)論二者相隔多遠(yuǎn)，這種信息傳遞速度為超光速。

倫敦大學(xué)學(xué)院(University College London)納米技術(shù)專(zhuān)家約翰?莫頓(John Morton )教授認(rèn)為，這是令人激動(dòng)的結(jié)果，盡管有些科學(xué)家勉強(qiáng)接受這樣的事實(shí)：量子物理真的可以產(chǎn)生愛(ài)因斯坦所認(rèn)為的“幽靈般超距作用”。

對(duì)于一些物理學(xué)家，盡管新的實(shí)驗(yàn)聲稱(chēng)“無(wú)漏洞”，事情還沒(méi)有完全結(jié)束。“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很漂亮地堵住了三大漏洞中的兩個(gè)，但三分之二是不是三分之三，”凱澤說(shuō)。“我十分相信，量子力學(xué)是大自然的正確描述。但是，坦率地說(shuō)，我們還不到使用最強(qiáng)烈的語(yǔ)氣說(shuō)話的地步。

向“量子互聯(lián)網(wǎng)”實(shí)用化前進(jìn)一步

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)具有深刻意義，會(huì)引發(fā)具有挑戰(zhàn)性的哲學(xué)問(wèn)題。英國(guó)伯明翰大學(xué)(Birmingham University)凱伊?邦格斯(Kai Bongs)教授認(rèn)為，這項(xiàng)研究不但向人們展示量子現(xiàn)象與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)之間的差異有多大，而且具有開(kāi)發(fā)超級(jí)安全加密通信技術(shù)的實(shí)際意義。

《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道稱(chēng)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅僅證實(shí)了量子力學(xué)反常識(shí)的理論，也是朝著所謂的“量子互聯(lián)網(wǎng)”的實(shí)際應(yīng)用前進(jìn)了一步。目前，面對(duì)功率強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)建構(gòu)在大數(shù)因子分解能力基礎(chǔ)上的加密技術(shù)和另一些有關(guān)策略所具有挑戰(zhàn)性，互聯(lián)網(wǎng)的安全性和電子商務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施很令人頭疼。

像漢森一樣的研究人員設(shè)想一個(gè)由鏈狀糾纏粒子環(huán)繞整個(gè)地球而形成的量子通信網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)能夠安全地共享加密密碼，并且絕對(duì)能夠監(jiān)測(cè)到竊聽(tīng)的企圖。

觀察者網(wǎng)注意到，在量子網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)家處在世界領(lǐng)先水平。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒研究組，日前成功實(shí)現(xiàn)確定性單光子的多模式固態(tài)量子存儲(chǔ)。該成果在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)與固態(tài)量子存儲(chǔ)器兩種不同固態(tài)系統(tǒng)之間的對(duì)接，并實(shí)現(xiàn)了100個(gè)時(shí)間模式的多模式量子存儲(chǔ)，模式數(shù)創(chuàng)造世界最高水平，為量子中繼和全固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

延伸閱讀：

今年科學(xué)家對(duì)量子糾纏還有哪些研究？

量子瞬間傳輸 中國(guó)人又近了一步

《科技日?qǐng)?bào)》3月5日?qǐng)?bào)道，如果你能擁有一項(xiàng)超能力，你會(huì)選擇什么？相信“瞬間移動(dòng)”會(huì)是不少人兒時(shí)的夢(mèng)想。這種超能力在物理學(xué)上并非不可能。如果我們能夠?qū)?gòu)成物體的每一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，然后在目的地用同樣的粒子完全復(fù)制其狀態(tài)，就可以得到一模一樣的物體。如今，中國(guó)科學(xué)家在這項(xiàng)技術(shù)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(guó)科技大學(xué)潘建偉項(xiàng)目組的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究。通俗地說(shuō)，這一技術(shù)可以讓科學(xué)家在異地瞬間獲知粒子狀態(tài)，從而開(kāi)啟了瞬間傳輸技術(shù)的大門(mén)。

5日的政協(xié)小組會(huì)上，全國(guó)政協(xié)委員潘建偉用一個(gè)比喻解釋了這項(xiàng)研究：“從合肥帶到北京一個(gè)保險(xiǎn)箱，鑰匙忘帶了。于是我請(qǐng)合肥的同事測(cè)量一下鑰匙，告訴我；我在北京復(fù)制它。”

“量子隱形傳態(tài)”的原理是基于“量子糾纏”。

中科大網(wǎng)站介紹說(shuō)，1997年，國(guó)際上首次報(bào)道了單一自由度量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該工作隨后與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(xué)21篇經(jīng)典論文”。

然而，以往所有的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)都存在著一個(gè)根本的局限，即只能傳輸單個(gè)自由度的量子狀態(tài)，而真正的量子物理體系自然地?fù)碛卸喾N自由度的性質(zhì)，即使是一個(gè)最簡(jiǎn)單的基本粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長(zhǎng)、動(dòng)量、自旋和軌道角動(dòng)量等等。

潘建偉對(duì)科技日?qǐng)?bào)介紹說(shuō)：“測(cè)量一個(gè)自由度，不干擾其他自由度，很困難。好比測(cè)量身高，尺子一拉，體重就受了影響。”

中科大此次就是進(jìn)一步發(fā)展出了“非摧毀性的測(cè)量技術(shù)”。經(jīng)過(guò)多年艱苦努力，研究人員成功制備了國(guó)際上最高亮度的自旋-軌道角動(dòng)量超糾纏源、高效率的軌道角動(dòng)量測(cè)量器件，突破了以往國(guó)際上只能操縱兩光子軌道角動(dòng)量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動(dòng)量糾纏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而首次讓一個(gè)光子的“自旋”和“軌道角動(dòng)量”兩項(xiàng)信息能同時(shí)傳送。

量子糾纏或許存在“金發(fā)女孩效應(yīng)”

《科技日?qǐng)?bào)》10月13日?qǐng)?bào)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(yīng)有度，而不能超越極限，按照這一原則行事產(chǎn)生的效應(yīng)，人們稱(chēng)之為“金發(fā)女孩效應(yīng)”。一項(xiàng)新研究預(yù)測(cè)，量子糾纏（物質(zhì)與光之間相互作用的狀態(tài)）也存在這種效應(yīng)，并提出宇宙在“既不太快也不太慢”的情況下起源。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報(bào)道，通過(guò)研究物質(zhì)和光同時(shí)存在的系統(tǒng)（包括宇宙在內(nèi)），研究人員發(fā)現(xiàn)，以適中的速度經(jīng)歷量子相變會(huì)產(chǎn)生最豐富、最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)類(lèi)似于平滑、空洞的空間中的“缺陷”。研究結(jié)果發(fā)表在美國(guó)物理學(xué)會(huì)主要會(huì)刊《物理評(píng)論A》上。

在日常世界中，一種物質(zhì)可以在不同的溫度條件下經(jīng)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(gè)系統(tǒng)可以在絕對(duì)零度的情況下經(jīng)歷相變，只要改變光和物質(zhì)之間互相作用的量就可以。這種相變會(huì)產(chǎn)生量子糾纏。

科學(xué)界普遍認(rèn)為，宇宙中星團(tuán)、行星系統(tǒng)、星系等結(jié)構(gòu)的誕生源于量子相變，而且經(jīng)歷相變的速度越快，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)就越多。最新研究否定了這種說(shuō)法。

“我們的研究認(rèn)為宇宙是在適中的速度中被‘烹飪’出來(lái)的。”研究者之一、美國(guó)邁阿密大學(xué)物理學(xué)教授尼爾·約翰遜說(shuō)。他把經(jīng)歷量子相變時(shí)光和物質(zhì)高度糾纏的結(jié)構(gòu)比作加熱牛奶和燕麥時(shí)從無(wú)到有形成的粥塊。如果以恰好的速度經(jīng)歷相變，這種結(jié)構(gòu)會(huì)更為復(fù)雜，這類(lèi)似于以恰好的速度烹飪時(shí)，粥塊會(huì)更好吃。

該研究涉及多種規(guī)模不同的光與物質(zhì)同時(shí)存在的系統(tǒng)，而且它所預(yù)測(cè)的量子糾纏的“金發(fā)女孩效應(yīng)”可以在理想的條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。研究人員正試圖確定能夠產(chǎn)生加強(qiáng)的量子糾纏效應(yīng)的精確條件，以供其他研究人員在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)他們所預(yù)測(cè)的情況。

最新研究為如何產(chǎn)生、控制和操縱量子糾纏帶來(lái)了啟發(fā)，也為開(kāi)啟超快量子計(jì)算、超安全量子密碼、高精度量子計(jì)量學(xué)以及量子態(tài)隱形傳輸?shù)认乱淮磥?lái)技術(shù)提供了鑰匙。

美日科學(xué)家發(fā)現(xiàn)時(shí)空可能來(lái)自量子糾纏

騰訊太空5月30日?qǐng)?bào)道，東京大學(xué)科維理宇宙物理學(xué)與數(shù)學(xué)研究所科學(xué)家Hirosi Ooguri稱(chēng)時(shí)空的出現(xiàn)可能來(lái)自量子糾纏，量子糾纏是個(gè)深?yuàn)W的問(wèn)題，關(guān)系到廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，比如黑洞信息悖論等。根據(jù)科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，光量子糾纏和時(shí)空之間存在聯(lián)系，目前物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家正在從量子糾纏的角度去解釋時(shí)空是如何出現(xiàn)的，這是廣義相對(duì)論與量子力學(xué)之間統(tǒng)一理論邁出的重要一步。除了日本東京大學(xué)外，美國(guó)加州理工學(xué)院的數(shù)學(xué)家馬蒂爾德等人也參與了本項(xiàng)研究，論文發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)上。

物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家一直在尋找建立在廣義相對(duì)論和量子力學(xué)基礎(chǔ)之上的統(tǒng)一理論，廣義相對(duì)論解釋了引力和大質(zhì)量天體的現(xiàn)象，比如恒星、星系在宇宙的運(yùn)動(dòng)等，而量子力學(xué)則從亞原子到分子尺度解釋微觀的現(xiàn)象?？茖W(xué)家認(rèn)為應(yīng)該還存在未知的全息原理能夠統(tǒng)一這兩個(gè)理論，并包含它們的基本特征，根據(jù)全息原理，原理的三維時(shí)空能夠由量子力學(xué)二維表面進(jìn)行解釋。換句話說(shuō)，廣義相對(duì)論中的三維時(shí)空來(lái)自量子力學(xué)的二維表面，但其中的過(guò)程一直是個(gè)謎。

不過(guò)東京大學(xué)和加州理工的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子糾纏能夠解決這個(gè)問(wèn)題，利用量子理論計(jì)算能量密度，在三維時(shí)空中增加了引力相互作用，在二維量子表面上建立出時(shí)空模型。量子糾纏的重要性此前已經(jīng)被科學(xué)界所知曉，但在時(shí)空中量子糾纏的具體作用仍然并不明了。量子糾纏在愛(ài)因斯坦的理論中被認(rèn)為是超距作用，而東京大學(xué)和加州理工的科學(xué)家的研究表明，量子糾纏還可能產(chǎn)生額外的時(shí)空維度。