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斷章師爺 聽Andon Zeilinger教授介紹量子隔空傳輸技術（下）

作者：light12  於 2011-7-9 18:00 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:網路文摘

時間: 08 7 2011 23:07  
作者：斷章師爺 在 蘆笛自治區 發貼, 來自 海納百川

聽Andon Zeilinger教授介紹量子隔空傳輸技術（下）
斷章師爺

接著A.Zeilinger教授比較詳細地介紹了量子隔空傳輸技術的概念以及這門處於探索階段的嶄新領域的發展歷史、現實狀況和未來走向。

假設未來世界的A城有一個小女孩Alice，她打算玩一個遊戲用隔空傳輸的方式把信息送給B城的小男孩Bob。a和b是一對處於量子糾纏狀態的粒子，前者為Alice所有，後者則在Bob手中。此外Alice還有另一顆粒子x，處於未知的量子狀態。Alice對她擁有的粒子a和x進行了一次貝爾狀態的測量，又用通常的經典方法(例如打個電話或投張明信片)把測量結果告訴Bob。Bob發現他手頭的那顆粒子b也複製上了x粒子的量子狀態。這就表明藉助於一對處於量子糾纏狀態的粒子a和b，在A城的Alice獲得的信息(x粒子的量子狀態)頃刻之間就被隔空傳輸作用送到了在B城的Bob手頭的那顆粒子b上了。

1997年由A.Zeilinger教授領導的奧地利因斯布魯克大學(Universität Innsbruck)的工作小組用實驗手段具體實施了上述科學童話中Alice和Bob玩的遊戲。他們的實驗裝置展示在一張示意圖上，主要由光子源、(量子)糾纏產生器、光路系統和檢測系統等部分組成。

示意圖的左方是作為光子源的一個短脈衝紫外激光管S。中間是一個稱為自發參量下轉換器SPDC(spontaneous parametric down-conversion的縮寫)的裝置，用來產生糾纏態的光子對，主要是一塊晶體和一些附加的光學元件。左上方是傳送信息的A(Alice)，右下方是接收信息的B(Bob)，左下方是輔助的確認裝置C(Confirmation)。A由兩個單光子檢測器和一個光線分束器(beam splitter)組成；B也由兩個單光子檢測器和一個驗偏振的光分束器組成；C僅有一個單光子檢測器。SPDC的前方(右面)設置了兩條光路：一條L1向上通往A；另一條L2向下通往B。SPDC的後方(左面)也設置了兩條光路：一條L3向上通往A，其中聯有一個起偏振（極化）器P；另一條L4向下通往C。A、B和C之間沒有任何相互作用，也沒有動力學上任何其它方式的耦合。

S發出的紫外脈衝自左向右射入SPDC，打在晶體上，發生的散射作用使得單個紫外光子會以一定的概率轉換成為兩個能量較低的（譬如紅外）光子。由於晶體的光學特性，使得這對新產生的光子a和b處於彼此糾纏的量子狀態。光子a和b穿過晶體分別經過光路L1和L2抵達A和B。當然，晶體形成的糾纏光子對也有被反射回去的，例如光子對c和d。當光子d經過光路L3時，由於起偏振器P的作用使得它形成了特殊的極化狀態x。當C的檢測器測得光子c時，表明呈x態的光子d也經過L3抵達了A。光子a和d分在A處的光分束器匯合，再被兩個單光子檢測器分別測得。A將檢測的結果用通常的方法告知B，後者通過該處的驗偏振光線分束器發現光子b也呈x態的極化。這就證明了x態通過隔空傳輸的方式從A處的a光子傳送到了與之糾纏的B處的b光子。

A.Zeilinger教授示出了一些有關的實物照片和測量的實驗結果。該文入選英國《自然》雜誌特刊物理學百年經典之作，被稱為有里程碑意義的成就。接著他又簡略地報導了這以後的十來年中該領域的發展和目前達到的水準。2004年他和維也納大學的同事在多瑙河畔將量子隔空傳輸的距離提高到600米。2007年他們又在非洲西北海岸的加那利群島（Canary islands）相距144公里的兩處觀察到了量子糾纏的信息。世界各國的科學家相繼製備了三光子、四光子、五光子、六光子糾纏態，並成功地實施了它們的隔空傳輸。近年的文章甚至報導已經製備了十個量子比特的糾纏態。A.Zeilinger教授屢屢提及一位姓Pan的中國學者。

演講持續了大約三刻鐘，在聽眾的掌聲中結束。接著是聽眾向A.Zeilinger教授提問，大都是些好奇的科普層面的問題。對於這些問題，A.Zeilinger教授做了個統一的回答。他認為，測量一個光子的極化這樣一個作用，立即迫使糾纏的第二個光子採納了一個與之互補的值。即使兩個糾纏的光子處於不同的星系，這種變化也能在瞬間發生。科學家們已經進入了將量子糾纏作為處理信息的途徑。所謂量子隔空傳輸指的是相隔兩處的糾纏光子沒有任何時間上的延誤，可以進行性質的傳送。這種隔空傳輸遞送的並不是具體的物質而只是光子的屬性。然而，這種量子屬性的傳遞又與簡單的「拷貝」作用不同，傳送的那個光子可以把它的全部屬性都傳送到第二個光子，但是它本身卻沒有失去任何自己的屬性。這種現象只是存在於量子世界，因此稱之為量子隔空傳輸。當然，這兩個光子並沒有發生任何運動，它們仍然「留守」在各自的原地。然而迄今為止，科學家們只能將對象局限於光子範圍（偶爾也有原子），對於尺度較大的物體，卻一無所知。因為，即使能從理論上論證其可行性存在的話，具體實施的困難也是超乎意料的艱巨。例如象科幻片中展示的那樣，轉眼之間將人從一個星球遷送到另一個星球的事，有很多難以逾越的鴻溝。首先，基於物理原因，被遷送者必須與執行遷送任務的環境完全隔離，必須是整個的真空。這對於被遣送者的健康絕對是有影響的。其次，這實際上是將某個人的全部屬性轉移到另一個人身上。這就意味著，重新製造了一個人，他（或者她）不再具有任何他（或者她）自己原來的屬性，譬如頭髮、眼睛和皮膚的色澤，四肢、骨骼的尺寸，內臟器官的健康程度，……甚至頭腦的容量和思維能力等等。這是違反倫理和道德的，當然這也是瘋狂到不能想象的。

也有些業內人士提了些比較深入的專門問題，我不太聽得懂。比如這樣的實驗對於量子理論的非局域性和隱變數有何意義？A.Zeilinger教授認為他們得到的結果證實了量子理論的非局域性，但是還未能肯定或者否定隱變數的存在，也就是未能肯定量子理論的描述是否完備。不過，他又嘟噥了一句，只有在確切地說明隱變數的物理起因和可觀測性時，這種隱變數理論才有意義。對於聽眾詢問的量子隔空傳輸實驗中涉及到的具體技術細節問題，他都不厭其煩地逐一作了解答。此外，有一位聽眾對三個以上的光子能否形成真正的量子糾纏狀態持懷疑態度，他質疑這種「糾纏」僅僅只是形式上符合糾纏的定義而已。對此，A.Zeilinger教授表示很難解釋，因為彼此的理念上存在著分歧，他建議對方可以去參看一篇刊載在美國《科學》雜誌上的專論，對類似的問題作過詳細的解釋。A.Zeilinger教授很快地從電腦中查得該文發表的年、月、卷和頁數，在告知對方的同時又再次聲明，如果認同該文的觀點，也就不難理解他的實驗結果，否則所有的解釋都是徒然的。

我對該領域一無所知，所以只有洗耳恭聽的份。我僅僅是從材料學科的角度好奇地問了一聲使得光子產生糾纏的晶體是何種材料？A.Zeilinger教授回答是β相硼酸鋇(beta barium borate)。回家后，我查閱了一下。得知這種硼酸鋇是性能良好的非線性光學材料，可透過的波段範圍和實現相位匹配的波段範圍較寬，損傷閥值較高，光學勻稱性較好，二階非線性光學係數較高。正是β相硼酸鋇的這種非線性光學性能，才使得入射的紫外光子通過散射形成一對彼此糾纏的紅外光子。如前所述，當一束紫外激光射向一塊非線性晶體時，射出的激光會轉換成為兩束頻率較低的紅外光。如果其中某一束的極化方向是水平的話，那麼另一束則是豎直的。可以通過調節入射角，使得這兩束從晶體出射的紅外光的圓錐面發生重疊。在與這兩個圓錐面相隔一定距離處作一個截面，該截面與兩個圓錐面的交線是兩個相交的圓，圓上兩個對稱的交點上的紅外光子，彼此處於糾纏狀態。然而，我猜測對於三個以上光子的糾纏，可能須選擇另外的材料，因為β相硼酸鋇的三階非線性光學係數比二階非線性光學係數要低一個數量級左右。

有一個女學生問他：「A.Zeilinger教授，您做出了如此震驚世界的工作，是否考慮過摘取諾貝爾物理學獎？」 A.Zeilinger教授不露聲色地說了一句：「諾貝爾評獎委員會考慮的是做出嚴肅的決定；我考慮的是做自己喜歡的事情。」眾人報以熱烈的掌聲，他禮貌地鞠躬致意。

在提問過程中發生了一段意外的插曲。有一位氣宇軒昂的中年同胞，站起來興奮地說道：「A.Zeilinger教授，您報告中提到的那位潘教授和我就在同一所大學工作。潘教授在國內的研究得到我們國家和大學領導的全力支持。對於您在量子隔空傳輸領域中取得的成就，我向您表示熱烈的祝賀！對於您無私地培養中國留學生的崇高精神，我向您致以由衷的敬意！」 A.Zeilinger教授客氣地表示了謝意，並誇獎這些年來Pan做出的工作很了不起，深得國際同行的推許。接下去這位同胞的口氣一轉說道：「但是，A.Zeilinger教授，我曾經看到過一段您與達賴喇嘛的視頻對話，覺得實在難以理解。您一個國際著名的物理學家竟然會贊同達賴喇嘛這樣一個宗教騙子對於原子的觀點。這個達賴喇嘛不學無術，他所謂的原子觀點完全是瘋狂的。（該同胞口中說的是「crazy」，后經坐在他邊上一位年輕中國學生的低聲提示，才改為「absurd」）。我實在不明白，您為何要贊同他的胡說八道。何況，達賴喇嘛還是一個分裂主義者，他是我們中國的敵人!」說完，他頗為自得地坐了下去。A.Zeilinger教授聽完他的話后，笑眯眯地解釋道：「達賴喇嘛關於原子的敘述是否如閣下所說的胡說八道，我相信各人有各人的看法。至於達賴喇嘛作為一個宗教領袖，請容許我對他在國際政治空間的定位和所發揮的作用，保留自己的判斷。今天我是作為一個物理學家在這兒介紹自己的工作，無意與閣下就上述這些問題展開討論，好嗎。謝謝！」中年同胞頓時面露悻悻的神色，想再次立起身來，終被旁邊的青年學生勸阻而未果。不知該中年同胞究系何方神聖？

聽了近一個小時的報告，這些天來又翻閱了些有關的書籍，對於量子糾纏和量子隔空傳輸算是有了一些掃盲式的膚淺了解。因此拉拉扯扯地寫出了上面的文字。下面再續上幾句不經之談。

（1）關於A.愛因斯坦在與以N.波爾為首的哥本哈根學派的那場關於量子力學理論的世紀論爭中成了輸家的結論，我（個人）認為是一家之言。儘管A.愛因斯坦在1930年的布魯塞爾會議上不得不承認哥本哈根學派的解釋是沒有矛盾的，但是他堅持量子力學的統計描述並不是完整的「圖像」。他說：「量子力學理論是不完備的，波函數並不能精確描寫單個系統的狀態.它所涉及的是許多系統，只是一個『系綜』」。而且A.愛因斯坦始終堅持「我不能真正地相信（量子理論），因為它不能調解物理學應該表示時間和空間中的實在以及擺脫鬼魅的超距作用的觀念。」[1]加州大學伯克利分校的Henry Stapp認為「貝爾定理是科學史上最深奧的發現。」康奈爾大學的N.D.Mermin則認為「EPR的發表正是『科學史上最深奧的發現』的基礎。」據說1962年N.波爾去世后，人們在他辦公室的黑板上看到還畫著A.愛因斯坦在第6屆索爾維（Solvay）會議上提出的那個帶有一個可以用快門來啟閉的小孔的光箱草圖。顯然N.波爾至死還在思索他那位偉大對手深邃而高遠的思想和無人企及的靈感。

（2）雖然在微觀物理中，量子力學的計算結果能對實驗結果提供準確的預言，但是必須承認量子力學的物理基礎還是不夠完備的，尚有待改進。例如那個被譽為「科學史上最深奧的發現」的貝爾不等式的推導中都或多或少地引入一些輔助性的假設，這些假設難以用實驗直接驗證。所有至今完成的貝爾定理的實驗驗證，沒有一個實驗能夠完全滿足貝爾定理所有內涵的要求[2]。

(3)1965年的物理學諾獎獲得者，被譽為上世紀「最聰明的美國物理學家」費曼教授( Richard Feynman 19181-988)說過：「我認為我可以肯定地說，現在沒有人理解量子力學。」。現代宇宙論的數學結構理論創立者羅傑.彭羅斯爵士(Sir Roger Penrose 1931-)則認為「儘管量子理論非常精確，令人難以置信的精確，且具有難以置信的數學上的美，但也是荒謬之極。」

（全文完）

註釋
[1]參見The Born Einstein Letters, with comments by M.Born,Walker,New York(1971).(e.g., in March 1948).
[2] 參見Article on Bell's Theorem by Abner Shimony in the Stanford Encyclopedia of Philosophy (2004).

ZT

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