一次高冷的量子旅行,多光子糾纏及干涉度量
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2015年度國家自然科學獎一等獎頒給了這樣一個項目：「多光子糾纏及干涉度量」。簡單來說，多光子糾纏及干涉度量就是根據量子物理原理提供的一種全新方式，通過對信息進行編碼、存儲、傳輸和邏輯操作，並對光子、原子等微觀粒子進行精確操縱，以確保在通信安全和提升計算速度等方面可以突破經典信息技術的瓶頸。讓我們進入一次高冷的量子旅行吧。
那麼問題來了，量子物理原理是什麼？在推開神奇量子世界的大門前，你需要輕裝上陣：拋棄在宏觀世界所獲得的一切常識，掙脫那些由傳統經驗構築的枷鎖，保持腦洞大開的狀態，並隨時準備接受各種不可能……
第一站：波粒二象性
量子是能量的最小單位。我們在初中化學書上接觸過的原子、電子和光子，均屬量子大家庭。微觀粒子有個神奇的屬性，叫波粒二象性。雙縫干涉實驗證實了這一點。
假設你手中有一台電子發射器，面前擺著一個開了兩條縫隙的隔板，隔板後放置了一塊屏幕。當你打出的電子足夠多，屏幕上會出現什麼現象？
如果電子是粒子，那麼屏幕上應該出現兩條條紋——電子隨機選擇穿過兩條縫隙中的一條，並在屏幕上留下痕迹。然而，現實情況卻是，屏幕上留下了明暗相間的多條幹涉條紋。研究這些條紋的分布後人們驚訝地發現，電子似乎在穿過縫隙時具有某種「波」的特性。也就是說，它並非在兩條縫隙中選擇了一條穿過，而是以「波」的形式同時穿過了兩條縫隙，並且自己與自己發生了干涉——如果一條波的波峰恰好遇到另一條波的波谷，亮度剛好抵消，形成了屏幕上的「暗處」。
但是，電子又的確展現出粒子的特性。逐個發射電子時，你就會發現，電子穿過隔板縫隙後，會在感應屏上的某個位置打出一個亮點。只是它的分布符合干涉條紋的分布規律：落在亮區的概率高，落在暗區的概率低。
對此科學家給出了一個大膽的解釋：在撞上感應屏之前，無人干擾，電子確實以波的方式穿過了兩道狹縫。然而一旦它撞上了感應屏，波函數立刻坍縮成為一個點。
感應屏在這裡扮演了「觀測者」的角色，換個說法——電子呈現出什麼狀態，，取決於觀測。
觀測很重要嗎？答案是肯定的。在微觀粒子世界，任何一種介入都會對測量對象產生致命干擾。也就是說，你永遠無法得到一個粒子的全部信息——當你知道了它的位置，它的速度也因為你的「知道」而發生改變——這便是鼎鼎有名的「不確定性」原理。
第二站：量子糾纏
經過了第一站，量子糾纏的概念就該登場了：相互獨立的粒子可以完全「糾纏」在一起，對其中一個粒子進行觀測可以即時影響到其他粒子，無論它們之間的距離有多遠。
想像現在有一個大粒子衰變成了兩個小粒子，它們倆關係不和，朝著相反的方向飛去。假設這種粒子有兩種可能的自旋——「左旋」和「右旋」，根據總體守恆，如果粒子A為左旋，那麼B一定為右旋；反之亦然。
可是，在我們沒有對A和B進行觀測之前，它們的狀態都是不確定的，每個粒子都處於一種左或右可能性的疊加態。一旦我們觀測粒子A，它的波函數瞬間坍縮，並隨機選擇了一種狀態——比如「左旋」；此時，儘管已經和A相距遙遠，粒子B的狀態也就瞬間確定了（即「右旋」）。
就算這兩個粒子分別處於宇宙的兩端，它們同樣可以保持這種「默契」——一旦你隨機選擇了左，那我一定會選擇右。任何所謂的心靈感應，都比不上「量子糾纏」來得深刻。
第三站：量子通信
接下來要進入「核心景點」了——如果要在兩個處於糾纏態的粒子之間通信呢？
此時，我們製備出了處於量子糾纏狀態的光子α和光子β，並且把α給了身在北京的甲，把β給了身在上海的乙，要傳遞的東西是光子γ。
首先，讓光子α和光子γ產生干涉，並記錄干涉結果。然後，甲需要用打電話、傳電子郵件等傳統通信方式告訴乙這一結果。拿到結果之後，乙會操作一種叫作波片的東西，把β變成γ。
這是什麼意思？可以這麼理解：α和β處於糾纏態，所以當α和γ發生干涉時，γ和β也就自動具有某種關係了。甲告訴乙α和γ的干涉結果，其實是告訴乙，β和γ應該具有怎樣的關係。於是乙通過「反推」，就能將β變成γ。
[摘要]在這場通信中，量子隱形傳態並沒有真正傳遞出去什麼東西，和都是為了主角而犧牲的炮灰。最終目的讓成為，讓乙獲得有關的一些信息。 第四站：量子……
在這場通信中，量子隱形傳態並沒有真正傳遞出去什麼東西，α和β都是為了主角γ而犧牲的「炮灰」。最終目的讓β成為γ，讓乙獲得有關γ的一些信息。
第四站：量子密鑰分配
率先走進量子通信技術實用化大門的，叫量子保密通信。它與傳統通信最為不同的地方在於是用量子的方式傳送密鑰。
一直以來，信息科學領域有信息安全的瓶頸：用晶元可能有後門，用光纖可能遭到無感竊聽，就算把信息進行加密，也有人能破解。不過，如果用量子的方式傳送密碼，就不存在這些問題了。
量子密鑰分配是把一個信息編碼在一個光子上，一個光子有著不同的量子態，代表0和1。把光子通過光纖發射出去，接收方接到密鑰後進行解碼。
由於一個量子的狀態是未知的，根據「不確定性原理」，我們無法獲得一個量子所有的狀態信息，因此，量子也無法被準確測量和精確複製。而量子不可能繼續分割，竊聽者也就不可能把它分成兩半，一半拿走，一半傳給運輸方。更絕妙的是，在這一傳輸過程中，一旦有人竊聽，微小的光子立刻就能做出反應——因為在量子尺度上，竊聽者的存在感實在太強了！
所以，量子保密通信的安全性能得到極大保證。如今，量子保密通信甚至被資本市場稱為「下一個萬億藍海」。
現在，我們已經在量子通信世界遊覽了四個「景點」，鑒於腦細胞死傷無數，這段旅程也該告一段落。下次再進入量子通信的世界，看點將越來越多。
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