中國物理學家在量子糾纏實驗中，創紀錄的成功纏結8個光子|2024 量子物理 小葫蘆的宇宙頻道

你是否曾經想過 如果你和你的朋友分別在地球的兩端 你們之間是否還能保持聯繫 你是否曾經想過 如果你能夠瞬間將你的思想或信息傳送給你的朋友 而不需要任何中介或信號 那會是什麼樣的感覺 你是否曾經想過 如果你能夠利用這種超距的聯繫 實現一些不可思議的事情 比如安全的通信 快速的計算 精確的測量 甚至是時間旅行 那會是什麼樣的世界 這些聽起來像是科幻小說 或電影中的情節 但在量子物理學的世界裏 它們卻是真實存在的 量子物理學是物理學的一個分支 它描述了原子和亞原子領域的粒子行爲 量子物理學的一個最奇妙的現象 就是量子糾纏 它指的是兩個或多個粒子之間 形成了一種特殊的聯繫 使得它們的物理狀態無法單獨描述 而必須作爲一個整體來考慮 這種聯繫不受空間和時間的限制 即使將這些粒子分割到很遠的地方 它們仍然能夠瞬間感知彼此的變化 並保持一致 量子糾纏的存在 挑戰了我們對於現實的常識 甚至讓愛因斯坦這樣的物理巨匠 都感到困惑和不滿 他曾經把量子糾纏 稱爲鬼魅般的超具作用 並認爲這是量子力學的不完備性的表現 然而無數的實驗 已經證明了量子糾纏的真實性 而且還發現了更多的糾纏粒子的組合 通過量子糾纏效應 可以實現多個粒子 跨越任意大的距離 例如 一對位於不同位置的糾纏光子 可能通過它們的偏振連接在一起 偏振是描述光波震盪方向的一種特性 測量一個光子的偏振 另一個光子的偏振 就會立即呈現相同的值 換句話說 這兩個光子要麼都是水平偏振的 要麼都是垂直偏振的 但在測量其中一個之前 它們的偏振值都不確定 愛因斯坦曾將量子糾纏是超具作用 他在1935年寫道 任何合理的現實定義 都不可能允許這種情況發生 不管合理與否 糾纏似乎確實是現實的一部分 無數實驗已經證明了這一點 量子糾纏的最早實驗 是由美國物理學家約翰·克勞瑟 和斯庫爾特·弗裏德曼 在1972年進行的 他們利用光的偏振 首次成功地完成了貝爾實驗 驗證了量子糾纏的存在 並排除了影變量的可能 影變量是一種假設 認爲量子系統的狀態 是由一些未知的局部變量決定的 而不是由量子力學的概率性描述的 貝爾實驗是一種檢驗影變量的方法 它利用了一些不等式 來限制影變量理論的預測 然後與量子力學的預測進行比較 如果實驗結果違反了貝爾不等式 那麼就說明影變量理論是錯誤的 而量子力學是正確的 克勞瑟和弗裏德曼的實驗 就是這樣做的 他們發現了違反貝爾不等式的現象 從而證明了量子糾纏的真實性 基於上面實驗 物理學家通常會爲每一對 成功糾纏的粒子產生大量光子 隨着數量的增加 產生多對糾纏光子的難度 也成指數增長 如今量子糾纏的最大記錄 是由中國科學技術大學的姚新燦 和他的同事在2023年創造的 他們糾纏了不是一對而是四對光子 將八個光子的偏振連接起來 擴大了之前最多糾纏六個光子的 實驗範圍 姚新燦和他在中國科學技術大學的 同事計算出 如果他們簡單地擴展先前的六光子實驗 再加入一對糾纏光子 那麼產生一組八光子糾纏光子 大約需要十個小時的實驗時間 有了明亮的糾纏光子源 研究人員就能以更高的頻率 產生四個相互糾纏的光子對 他們報告說 他們以每小時約九組的速度 檢測到了數百組糾纏光子 這足以進行必要的統計測試 以驗證所有八個光子 他們使用了一種光學方案 它能過濾掉較少的光子 從而提高糾纏光子的輸出 他們以每小時約九組的速度 檢測到了數百組糾纏光子 這足以進行必要的統計測試 以驗證所有八個光子 確實在量子水平上相互關聯 這一成果 爲實現更高維度的量子信息處理 和量子計算提供了可能 量子糾纏的最遠距離 是由中國的莫子號量子衛星 他們在2017年 成功地在1200公里的距離上 傳送了糾纏光子 打破了之前100公里的紀錄 爲量子通信和量子網絡的發展 奠定了基礎 莫子號量子衛星是世界上 第一顆量子科學實驗衛星 它利用了空間的低損耗 和低干擾的優勢 實現了空間和地面之間的 量子糾纏分發和量子隱形傳達 這一壯舉被譽爲 量子物理學的登月計劃 莫子號最有趣應用之一 它是一種利用糾纏光子 將一個未知的量子態 從一個地點傳送到另一個地點的方法 而不需要物理上的傳輸介質 這種方法可以用於量子加密通信 實現絕對的安全性和保密性 量子隱形傳態的原理 是利用糾纏光子之間的量子關聯 將一個光子的量子態 通過測量和經典信號的傳輸 轉移到另一個光子上 而不需要知道 或複製原始光子的量子態 這種方法可以避免 量子克隆定理是一種定理 它表明任何未知的量子態 都不能被完美地複製