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“万、柯”访谈录之量子通信篇 万新宇

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-08-25  浏览次数:2107
核心提示:受访者:柯玉鹏,天津人,北方某汽车公司汽研院副总设计师。简称:柯访问者:万新宇,简称:万万:柯总,前几天我国发射了一颗
      受访者:柯玉鹏,天津人,北方某汽车公司汽研院副总设计师。简称:柯

访问者:万新宇,简称:万

万:柯总,前几天我国发射了一颗“墨子号”卫星,国人很兴奋,聊聊量子通信好不好?

柯:介儿我是门外汉,半瓶子醋都不到。

万:谦虚,我知道由于职业关系,你一直关注交通、能源及通信领域的技术进步。

柯:好,奏说说“量子”介个神秘的家伙!

万:听说量子好多年了,为什么它的基本概念迄今还不为“吃瓜群众”所知?你科普一下。

柯:量子论的奠基人波尔说:“如果谁不为量子论感到困惑,那他奏没有理解量子”。量子之谜复杂又难解,像一个冷艳少女,天天相见却不知她心思。

万:女孩的心思你别猜,猜来猜去不明白。         

 柯:1900年2月14日普朗克在研究黑体(物理定义的理想物体)时发现:能量发射时,不是连续的,而是分成一份一份的。乖乖,介儿下捅了马蜂窝!

万:是啊,连续性的假设,是微积分的根本。牛顿大厦就建在这地基上。

柯;普朗克把介个基本单位叫“能量子”简称量子,是能量最小单位。一切能量传输只能以介个量来传,一个量子、两个量子、任意个量子但不能传半个量子。

万:是否就是能量的“一美分”,就像在买货付钱时不能用半分钱一样?

柯:对,作为“工科男”一想到麦克斯韦方程的完美、精致都陶醉,可量子一出生,精美体系成了破烂儿,不变公理进了垃圾箱,它带来的冲击是巨大的。

万:上初中时老师讲:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”(注1)。

柯:量子甫一出世,物理学家奏分成了两个阵营,形成玻尔为首和爱因斯坦领头的量子力学本体论之争。

万:上世纪80年代中国满大街都见到那个代表“科学”的符号:三个电子沿椭圆轨道绕着原子核,90年代才不见,好在有人意识到了不对劲儿。

柯:从康普顿效应(注2)表明它是粒子,怎么看,电子都没法不是粒子;从双缝实验(注3)证实它的波动性,怎么看,电子都没法不是波。

万:扑朔迷离,成了一个疑案了?

柯:辛亏福尔摩斯一个“破案秘籍”:你把一切不可能都排除后,那剩下的,不管多么离奇,奏是事实。

万:至理名言啊,电子不可能不是个粒子,也不可能不是个波,那剩下的,唯一的可能性就是……它既是个粒子,又是个波!

柯:量子介种奇妙“苟合”,奏是鼎鼎大名的“波粒二象性”。它是粒子还是波,看你怎么观察它。采用康普顿效应,它奏是粒子;用双缝观察,无疑是波。

万:它到底本来是个粒子还是波?

柯:木有什么“本来”,为嘛要有“本来”?所有的属性都是通过观察连在一起的。就像人脸花瓶图。取决于采用那种方式观察。以黑底来看是,花瓶;以白底来看是,人脸。

万:硝烟散尽,把酒言欢。波和粒子一对孪生兄弟苦苦争斗,演绎了物理学中的绝代双骄。

柯:介期间有个著名的薛定谔猫”,是物理学家薛定谔为质疑对方阵营提出的思想实验:盒子里有一只猫及少量放射物和一支毒气瓶一小时内有50%的概率毒气会杀死猫50%的概率放射物不衰变而猫活下来

万:盒子里的猫是死是活打开盒子一“看”不就知道了?

柯:介是大众的眼光在量子眼里,不打开盒子整个系统奏保持“不确定状态”猫既是死的也是活的,介叫“叠加态”(记住介个概念!)

万:像刘慈欣科幻小说《球状闪电》里的量子态人。被观察时坍缩消失,独处时又幽灵出现,不生亦不死。叠加态生命到底有没有?

柯:叠加态人是科幻小说。现实中光子、原子、分子都通过试验证明了叠加态(薛定谔猫态),科学家甚至把病毒冷却到接近量子基态,表明制备出“薛定谔病毒”也是可行的,现在有人尝试用细菌来制备叠加态(薛定谔猫态)

万:是吗?能让细菌这样一个“宏观的”、达到微米数量级的活体处于量子叠加态(薛定谔细菌),太令人震惊。

柯:清华交叉信息学院尹璋琪博士和美国普度大学有个合作项目:拿活的细菌做量子纠缠(注4)试验,方案已经发表了。

万:回到薛定谔猫身上,核心似乎是:叠加态:没开盒子“看”之前:放射物“衰变-不衰变叠加态”与猫“-活叠加态”“混”在一起,从量子的微观不确定变成了宏观不确定

柯:说的到位,叠加态在微观世界常见。可当“薛定谔猫”延伸到宏观世界后,奏与人的常识拧巴了。谁见过既死又活的猫呢?如果不认薛定谔猫,又把原子、分子运行规律给割裂了。

万:重点在“看”上?。比如我回家看见老婆刚买一个手镯爱不释手不让看,我就说:看一眼又看不坏。但如果是“看”一个电子,就会把它“看坏”?

 柯:OK。微观观测与宏观观测不同宏观观测对被观测对象木什么。你怎么“看到”你太太的手镯呢?总有某个光子从光源出发撞到手镯上,反弹到你的眼里吧?一只手镯是个“庞然大物”,光子撞上它奏像蚂蚁撞上大象,影响小的忽略不计。微观观测会引起观测对象变化比如观测电子光子能量虽小照到观测的电子上对电子影响很大。好,派一个光子去执行任务,它回来后怎么说呢?是的,我接触到了那个电子,但是它给我撞了一下,不知飞到哪儿去了。所以“看一眼”也会坏事儿!

万:量子理论适用于微观世界,经典理论适用于宏观世界,"薛定谔猫"是这两者的边界界标吗

柯:"薛定谔猫"提供了从量子力学过渡到经典力学的例子让我们领悟到退相干的物理含义,可借此寻找更本质的底层理论

万:等等,新词太多!何是“退相干”?

柯:退相干是环境“噪声”造成干扰,使量子态"变劣",观测也会对相干性造成影响。

万:你刚才提到还有“更加本质的底层理论”?

柯:记得尼了有一篇文章讲到认知三层次:已知的已知(比如知识和常识)、已知的未知(比如量子和意识)、未知的未知(比如……)。

万:面对宇宙,我们知道我们知道了一些,有些东西我们知道我们不知道,还有一些我们不知道我们不知道……

柯:目前,在特定的条件下,科学家已制备出了各种薛定谔猫态使量子领域从微观延伸到宏观,从而发现新的量子信息载体尚不知道那个边界在哪儿?(猫图)

万:能不能这样理解:观察使被观察对象的状态改变了?一个确定态从不确定的叠加态中“蹦”了出来?(生死图),你不“盯”着图看时,“LIVEDEAD”是不确定的,一盯着看,确定态(LIVE或DEAD)就从叠加态中“蹦”了出来。

柯:对,尼了说的叫“塌缩”。简单理解为量子世界以概率云存在,一有观察就会塌缩为一个点(确定态)。薛定谔猫带出了很多深刻疑问:由分子所构成的人与分子遵从的量子规律有什么关系?

万:对呀,人的意识也是个谜有人认为它与量子规律有关常说的"顿悟",可能就是"一个确定态从不确定的叠加态中蹦了出来"的呢?

柯:有想象力!像生命起源、物种变异、光合作用这些生命的秘密和意识的奥妙不可能与量子规律木关1946年薛定谔写了著名的《生命是什么?》提出了一些有洞见的观点遗憾的是那只可伶的猫依旧生死不明

万:现在有人把量子的特性也跟佛教扯上了,你怎么看?

柯:介好像超出话题了。宗教要传播开来总会搭上新理念的“顺风车”,奏像当年天主教也要与达尔文理论“勾肩搭背”一样!

万:聊了这么多“猫”,那与发射的“墨子号”卫星有何关联?

柯:前边聊到的薛定谔猫态(叠加态)是重点,量子纠缠、量子态隐性传输都与它有关。量子是最小的、不可分割的能量单位。它测不准、不可克隆,介些成了量子通信安全的基础。 

万:量子通信的最大优势是保密性?

柯:量子通信有量子密码窃听可知性的特点,从根本上解决了秘钥的安全性,你偷听我奏知并且会导致信息本身起变化。

万:这是我国第一颗也是世界第一颗量子通信卫星,我国发了多少颗通信卫星了?

柯:介我可不知道。只知道美国在轨通信卫星有308颗;欧洲有88颗。一个国家的通信卫星的技术水平是反映该国综合科技和经济实力的重要标志。 

万:这次的量子卫星是实用性卫星吗?

柯:还不是,它是一颗试验性卫星,为了实验和验证空间量子通信的相关技术,为未来空间量子通信实用化进行探索。

万:听说这次方案的设计师很年轻?

柯:潘建伟1970年生人,96年中科大毕业后去维也纳大学读博,师从奥地利科学院院长、量子力学世界级大师、诺奖获得者塞林格教授,并作为第二作者在《自然》上发表《量子态隐形传输》的论文从而奠定了学术基础。

万:名师出高徒呀!

柯:潘教授归国后,2001年在中科大组建了量子物理实验室。2012年8月11日潘建伟小组在国际上首次成功实现百公里量级自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射“墨子号”奠定了技术基础。

万:什么叫:隐形传输和纠缠分发?

柯:量子中最神秘的奏是叠加态,而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。有了前边的知识基础奏好办了

以双粒子为例,一个粒子A处于某个叠加态,用一个量子比特表示,另一个粒子B也处于叠加态。当两个粒子发生纠缠,奏会形成一个双粒子的叠加态,也叫“纠缠态”。介种纠缠态是,无论两个粒子相隔多远,当A粒子处于0态时,B粒子一定处于1态;反之,当A粒子处于1态时,B粒子一定处于0态。

万:叠加态+叠加态=纠缠态?

柯:一般意义似介样。用薛定谔猫比喻,即A和B两只猫如果形成纠缠态:

无论两只猫相距多远,即便在宇宙两端,当A猫是“死”时,B猫必然是“活”;当A猫是“活”时,B猫一定是“死”。

万:这不是闹鬼吗?

柯:介种跨越空间瞬间影响对方的量子纠缠,被爱因斯坦嘲笑为“远处闹鬼”(spooky action at a distance)。地面实验已经证明,被大师嗤之以鼻的“远处闹鬼”真的存在。而在天上,它是否成立呢?介次墨子号上天,奏是对介个“闹鬼”的验证

 万:听你的解释可否这样理解:量子通信传输的不是经典信息而是量子态携带的“量子信息”。这个量子态就像科幻小说中描写那样,在发送端神秘消失,同时在接收端神秘出现。

柯:非常好。实际操作是介样的:一对纠缠态粒子分别在通信双方将未知量子态的粒子与发送方粒子进行联合测量(一种操作)接收方粒子瞬间塌缩为某种状态介个状态与发送方粒子塌缩状态是对称的然后将联合测量的信息通过经典信道送给接收方接收方根据收到信息对塌缩粒子逆变换(幺正变换)即得到与发送方相同的量子态(信息)。

万:请你评价一下这次“墨子号”的意义?

柯:由于光子(量子信息携带者)在外空间传播时几乎木损耗,如果实现了纠缠光子再穿透大气层后仍存活并保持纠缠特性,我们奏可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信了。

万:长远来看:要实现全球化量子通信,还需要长期的努力,需要多颗卫星组网。

柯:现状看,量子理论的研究欧洲走在世界最前端,中国紧随其后,在量子通讯领域,中国一直走在世界前头。 “墨子号”量子科学实验卫星,奏是未来一系列量子通信卫星的探路者。

万:今天聊到这儿。谢谢

柯:再见。

2016年8月22日于龙岗

备注与参考

1:这个句子出自《庄子 天下篇》。

2:康普顿效应中光子把一部分能量传给靶电子,本身并没消失,只是改变了方向,这是光子粒子性的证明。

3:在两条狭缝的不透明挡板后摆上照相底片,纪录通过狭缝的光波数据。从这些数据了解光束的波动性使得通过两条狭缝的光束互相干涉,造成了底片的明亮条纹和黑暗条纹,这就是双缝实验。

注4:指的是量子系统状态间相互干涉的性质随着时间逐步丧失;常举的例子是“薛定谔猫”状态。

参考:资料来源:360百科、《知乎》

参考:《上帝掷骰子吗?量子物理史话》曹天元,北京联合出版公司出版

 
 
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