科学家证实量子纠缠效应真的存在

伤我心太深

量子纠缠效应指一个亚原子粒子状态的改变会在瞬间对另外一个亚原子粒子的状态产生影响。这种影响是瞬间发生的，不论这两个粒子之间相距多么遥远，即便位于宇宙的两端也是一样。这就违背了爱因斯坦认定的信息的传递速度无法超过光速的理论，因此他认为这种现象是不可能发生的，是“幽灵般的超距作用”。然而，一个荷兰研究小组设计的一项实验证明，这种量子纠缠效应是真实存在的。


量子纠缠





领导实验的伦纳德·汉森教授表示：“当它们形成纠缠时，事情变得非常有意思。它们的状态应当是同时处于朝上或朝下的叠加态，但在被观测时，却总是表现为一个朝上、另一个朝下的状态。它们之间建立了某种完美的关联性，并且这种关联变化是瞬间发生的。”




科学家证实量子纠缠真实存在

“量子纠缠”视为21世纪十大未解科学谜团之一

荷兰代尔夫特大学科维理纳米科学研究所物理学家罗纳德·汉森

爱因斯坦错了么？

量子真的也纠结！近一个世纪以来，科学家一直在为“量子纠缠”(quantum entanglement，有译为“量子缠结”现象)而纠缠不休，因为这种微观物理现象似乎不遵守物理学基本定律——光速不变，而被爱因斯坦斥为“幽灵般超距作用” 。今年年初，“量子纠缠”还被列为“21世纪十大待解科学谜团”之一。


但是，在最近在一个具有里程碑意义的研究中，一名荷兰科学家领导的国际科研团队表示，他们的实验据说可以证明量子力学最根本的理论之一：物质的确可以远隔万里却互相作用。这或许会打破爱因斯坦著名的“上帝不掷骰子”的说法，有科学家表示，该研究证实微观世界中成对的亚原子粒子( sub-atomic particle)之间存在超越时空的信息传递方式。
据《纽约时报》10月22日报道，荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的科学家采用贝尔实验方法，证实相距1.3公里的成对电子之间存在“量子纠缠”。
一个半月前，观察者网已经报道贝尔实验原理，这项研究可能宣告爱因斯坦隐变量理论出局。


而荷兰代尔夫特大学的用贝尔实验证实了量子纠缠的研究，周三在国际权威科学杂志《自然》上公布，进一步证实了一个爱因斯坦曾经公开拒绝的想法。这一发现是对古典物理称为“定域性原则”（locality）的基本原则又一打击。其定律指出，一个物体只能被它周围的环境直接影响。

进行该研究的首席科学家罗纳德‧汉森(Ronald Hanson)教授说，量子论必须承认“幽灵般的远程效应”，他也拒绝接受“宇宙可以表现得如此奇怪，如此明显地随机”这一概念。
互相分离的粒子可以被完全“纠缠”，其结果是，无论两个粒子之间的距离是多少，测量一个粒子几乎同时会影响到另一个。爱因斯坦对这一说法更是嗤之以鼻，他对量子理论引入的不确定性不以为然，认为量子理论具有上帝玩骰子的暗示。


但自20世纪70年代起，物理学家一系列精确的实验正在不断地消除疑虑——一些被称为漏洞的另类解释——即使相隔整个宇宙，两个已经纠缠的粒子可以立刻互动。
由荷兰代尔夫特大学的科维理纳米科学研究所，物理学家罗纳德·汉森领导，以及来自西班牙和英国的科学家加盟进行的新实验为量子力学以下理论提供了最有力的证明：由亚原子粒子纤维构成的奇怪世界的确存在，其中的物质在没有被观察之前，不具有任何形式，并且，时间不但向前行进也向后行进。
物理学家约翰·斯图尔特·贝尔1964年首先设计一个实验作为证明“‘幽灵般的远程效应’真实存在”的一种方法，因此，研究人员把他们的实验称为“没有漏洞的贝尔测试”。
“自上世纪70年代，这些测试就已经完成，但总是需要额外的假设，”汉森博士说。“现在我们已经证实了幽灵般的远程效应的确存在。”
根据这些科学家的论断，他们现在已经排除了所有可能的所谓隐变量，那些根据经典物理定律，可能解释远距离纠缠的隐变量。


代尔夫特大学的研究人员能够把相距1.3公里的两个电子纠缠起来，然后在它们之间传递信息。物理学家使用“缠结”一词表明他们使用某些方法来生成成对的粒子，其结果是它们彼此之间不独立。科学家们把两颗钻石分别放在代尔夫特理工大学校园内的两侧，距离1.3公里。


每块儿钻石含有一个可以俘获单个电子的微小空间，此空间具有一种称为“自旋”的磁性，然后用微波和激光能的脉冲来纠缠，并测量电子的“自旋”。
校园的两侧设有探测器，两个电子之间的距离确保做测量的同时，信息无法以传统的方式交换。
“我想这是一个设计完美，巧妙的实验，将有助于推进整个领域，”麻省理工学院物理学家大卫·凯泽(David Kaiser)说，他没有参与这项研究。然而，凯泽博士，和另一组物理学家正准备明年进行一个更加雄心勃勃的实验，不久将截取和测量宇宙最边缘的光。他还说，他认为荷兰实验并没有解答所有的疑问。
测试发生在一个令人费解的和独特的领域。根据量子力学，直到粒子被测量或以某种方式观察到它们的时候才具有可以验证的属性。直到这时，它们可以同时出现在两个或更多的地方。但是，一旦测得，它们塌陷成一个更经典的现实，只有一个位置。

证实存在超越时空和超光速现象

另据英国《每日邮报》10月21日报道，汉森教授说：“当看到两个电子发生纠缠时，真是很有趣。”
汉森教授的研究组在实验中观察电子的“旋转”磁特性(spinning)，此特性有“上旋”(up)或“下旋”(down)的两种表现。
汉森教授描述道：“两个电子都是同时上下，观察其中一个总是下旋，另外一个上旋。两者完美地相互关联，当观察一个具有的磁特性时，另一个永远是相反的特性。即使另一个电子在银河系另一端的火箭上，它们之间的这种影响也是瞬时的。”


汉森教授的研究组解释，他们在该研究中消除了造成产生其他作用的隐藏变量，如将电子置于微小钻石槽中，消除了主要的贝尔实验“漏洞”(loophole)，因此所检测的电子间不可能存在任何“秘密”通信机会，也不存在受检电子被误认为代表其他所有周围粒子的情况。
《每日邮报》说，这项实验表明成对的亚原子粒子之间存在一种超越时空的看不见连接。这是一项具有历史意义的实验，因为它为人们找到最明确的证据说明这种量子效应，证实曾被爱因斯坦认为的著名“幽灵般超距作用”是实实在在的。


虽然爱因斯坦认为这是不可能发生现象，他觉得空间中两点之间的信息传递速度不可能比光速快，但是实际上，发生量子纠缠的一个亚原子粒子可以立即影响到另一个，无论二者相隔多远，这种信息传递速度为超光速。
伦敦大学学院(University College London)纳米技术专家约翰‧莫顿(John Morton )教授认为，这是令人激动的结果，尽管有些科学家勉强接受这样的事实：量子物理真的可以产生爱因斯坦所认为的“幽灵般超距作用”。
对于一些物理学家，尽管新的实验声称“无漏洞”，事情还没有完全结束。“这项实验已经很漂亮地堵住了三大漏洞中的两个，但三分之二是不是三分之三，”凯泽说。“我十分相信，量子力学是大自然的正确描述。但是，坦率地说，我们还不到使用最强烈的语气说话的地步。

向“量子互联网”实用化前进一步

这项实验具有深刻意义，会引发具有挑战性的哲学问题。英国伯明翰大学(Birmingham University)凯伊‧邦格斯(Kai Bongs)教授认为，这项研究不但向人们展示量子现象与传统经验之间的差异有多大，而且具有开发超级安全加密通信技术的实际意义。
《纽约时报》报道称，这个实验不仅仅证实了量子力学反常识的理论，也是朝着所谓的“量子互联网”的实际应用前进了一步。目前，面对功率强大的计算机建构在大数因子分解能力基础上的加密技术和另一些有关策略所具有挑战性，互联网的安全性和电子商务的基础设施很令人头疼。
像汉森一样的研究人员设想一个由链状纠缠粒子环绕整个地球而形成的量子通信网络。这种网络能够安全地共享加密密码，并且绝对能够监测到窃听的企图。
观察者网注意到，在量子网络研究领域，中国科学家处在世界领先水平。中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传锋研究组，日前成功实现确定性单光子的多模式固态量子存储。该成果在国际上首次实现量子点与固态量子存储器两种不同固态系统之间的对接，并实现了100个时间模式的多模式量子存储，模式数创造世界最高水平，为量子中继和全固态量子网络的实现打下了坚实的基础。

延伸阅读：

今年科学家对量子纠缠还有哪些研究？

量子瞬间传输 中国人又近了一步

《科技日报》3月5日报道，如果你能拥有一项超能力，你会选择什么？相信“瞬间移动”会是不少人儿时的梦想。这种超能力在物理学上并非不可能。如果我们能够对构成物体的每一个粒子进行测量，然后在目的地用同样的粒子完全复制其状态，就可以得到一模一样的物体。如今，中国科学家在这项技术上取得了重大突破。
今年2月26日，《自然》杂志发表封面文章，介绍了中国科技大学潘建伟项目组的“多自由度量子体系的隐形传态”研究。通俗地说，这一技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态，从而开启了瞬间传输技术的大门。



5日的政协小组会上，全国政协委员潘建伟用一个比喻解释了这项研究：“从合肥带到北京一个保险箱，钥匙忘带了。于是我请合肥的同事测量一下钥匙，告诉我；我在北京复制它。”
“量子隐形传态”的原理是基于“量子纠缠”。
中科大网站介绍说，1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。
然而，以往所有的实验实现都存在着一个根本的局限，即只能传输单个自由度的量子状态，而真正的量子物理体系自然地拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等等。
潘建伟对科技日报介绍说：“测量一个自由度，不干扰其他自由度，很困难。好比测量身高，尺子一拉，体重就受了影响。”
中科大此次就是进一步发展出了“非摧毁性的测量技术”。经过多年艰苦努力，研究人员成功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，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，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，从而首次让一个光子的“自旋”和“轨道角动量”两项信息能同时传送。

量子纠缠或许存在“金发女孩效应”

《科技日报》10月13日报道，就像童话故事《金发姑娘和三只熊》中所描述的，凡事都应有度，而不能超越极限，按照这一原则行事产生的效应，人们称之为“金发女孩效应”。一项新研究预测，量子纠缠（物质与光之间相互作用的状态）也存在这种效应，并提出宇宙在“既不太快也不太慢”的情况下起源。
据物理学家组织网报道，通过研究物质和光同时存在的系统（包括宇宙在内），研究人员发现，以适中的速度经历量子相变会产生最丰富、最复杂的结构。这些结构类似于平滑、空洞的空间中的“缺陷”。研究结果发表在美国物理学会主要会刊《物理评论A》上。
在日常世界中，一种物质可以在不同的温度条件下经历相变，例如水可以在足够热或足够冷的条件下变成水蒸气或冰。但是在量子世界中，一个系统可以在绝对零度的情况下经历相变，只要改变光和物质之间互相作用的量就可以。这种相变会产生量子纠缠。



科学界普遍认为，宇宙中星团、行星系统、星系等结构的诞生源于量子相变，而且经历相变的速度越快，产生的结构就越多。最新研究否定了这种说法。
“我们的研究认为宇宙是在适中的速度中被‘烹饪’出来的。”研究者之一、美国迈阿密大学物理学教授尼尔·约翰逊说。他把经历量子相变时光和物质高度纠缠的结构比作加热牛奶和燕麦时从无到有形成的粥块。如果以恰好的速度经历相变，这种结构会更为复杂，这类似于以恰好的速度烹饪时，粥块会更好吃。
该研究涉及多种规模不同的光与物质同时存在的系统，而且它所预测的量子纠缠的“金发女孩效应”可以在理想的条件下通过实验设备实现。研究人员正试图确定能够产生加强的量子纠缠效应的精确条件，以供其他研究人员在实验环境中实现他们所预测的情况。


最新研究为如何产生、控制和操纵量子纠缠带来了启发，也为开启超快量子计算、超安全量子密码、高精度量子计量学以及量子态隐形传输等下一代未来技术提供了钥匙。



美日科学家发现时空可能来自量子纠缠



腾讯太空5月30日报道，东京大学科维理宇宙物理学与数学研究所科学家Hirosi Ooguri称时空的出现可能来自量子纠缠，量子纠缠是个深奥的问题，关系到广义相对论和量子力学，比如黑洞信息悖论等。根据科学家的研究发现，光量子纠缠和时空之间存在联系，目前物理学家和数学家正在从量子纠缠的角度去解释时空是如何出现的，这是广义相对论与量子力学之间统一理论迈出的重要一步。除了日本东京大学外，美国加州理工学院的数学家马蒂尔德等人也参与了本项研究，论文发表在物理评论快报上。


物理学家和数学家一直在寻找建立在广义相对论和量子力学基础之上的统一理论，广义相对论解释了引力和大质量天体的现象，比如恒星、星系在宇宙的运动等，而量子力学则从亚原子到分子尺度解释微观的现象。科学家认为应该还存在未知的全息原理能够统一这两个理论，并包含它们的基本特征，根据全息原理，原理的三维时空能够由量子力学二维表面进行解释。换句话说，广义相对论中的三维时空来自量子力学的二维表面，但其中的过程一直是个谜。
不过东京大学和加州理工的科学家发现，量子纠缠能够解决这个问题，利用量子理论计算能量密度，在三维时空中增加了引力相互作用，在二维量子表面上建立出时空模型。量子纠缠的重要性此前已经被科学界所知晓，但在时空中量子纠缠的具体作用仍然并不明了。量子纠缠在爱因斯坦的理论中被认为是超距作用，而东京大学和加州理工的科学家的研究表明，量子纠缠还可能产生额外的时空维度。