建设量子“京沪干线”,梦想“瞬间移动”

  近日,英国物理学会新闻网站《物理世界》公布了2015年度全球物理学界的10项重大突破。中国科学技术大学潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的多自由度量子隐形传态名列榜首,被评为年度突破。这是《物理世界》首次将这一殊荣授予中国科学家在本土做出的成果。

  何为量子隐形传态?记者采访了中科大上海研究院陆朝阳教授。据介绍,明年我国将发射全球首颗量子科学实验卫星,全球首条量子通信保密干线京沪干线大尺度光纤量子通信骨干网也将建成。在上海政府部门、科研机构的大力支持和参与下,量子通信战略性新兴产业正在孕育。

  上帝不会掷骰子?

  要介绍量子通信和量子隐形传态,还得从量子力学讲起。这是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支,由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔等物理学家创立,是迄今为止描述微观世界最准确的理论。

  中科大专家介绍,一个物理量如果不能连续变化,只能取一些分立的值,我们就说这个量是量子化的。好比上台阶,只能上一个台阶,而不能上半个。宏观世界里的物理量似乎都能连续变化,但在微观世界,许多物理量是量子化的。如氢原子中电子的能量只能取一个基本值-13.6电子伏特或者其1/4、1/9、1/16、1/25等,而不能取其2倍或1/2、1/3。

  量子力学描述世界的语言与经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态,会给出它在什么位置、具有什么动量;量子力学给出的则是态矢量。简而言之,态矢量是一种概率。量子力学对粒子状态的描述都是概率这个粒子有可能在这里,也可能在那里,没有确定的位置。显然,这与我们在宏观世界中形成的常识相悖。莫非是由于粒子运动速度太快,观测者看不清吗?非也。量子力学认为,粒子状态的不确定性是一种客观真实的状态,而不是因为我们获得的信息不全。

  打个比方,有些状态可以用指向为上、下、左、右的箭头表示,于是我们定义方向为一个物理量,但是还有些状态是一个圆,圆状态与箭头状态同样真实,只是没有确定的方向而已。如果对圆状态测方向,它会以相同的概率变成任何一个箭头状态。同样道理,科研人员制备多个具有相同状态的粒子,将测量其位置的实验重复多次,发现每次实验结果都不一样。量子力学认为这很正常,因为微观粒子的状态在本质上具有随机性,同样的原因可以导致不同结果。

  这颠覆了经典力学对确定性的信念。爱因斯坦虽然是量子力学的缔造者之一,但终其一生,都不接受这套理论所认可的随机性。他说了一句名言:上帝不会掷骰子。

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