【环球报资讯】哆啦A梦的传送门指日可待?用苹果让你看懂获2022诺奖的量子纠缠
北京时间2022年10月4日下午17点45分,2022年诺贝尔物理学奖在斯德哥尔摩正式揭晓,法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger共享殊荣。诺奖官方给出的获奖理由是,表彰他们“进行了纠缠光子的实验,确立了对贝尔不等式的不成立,并开创了量子信息科学”。
(资料图)
(图片来源:诺奖官网)
本次获得诺贝尔奖的三位科学家,从理论上证明了量子纠缠的可行性,是量子通信领域的奠基人。他们的成就让量子通信的实施和量子计算机的搭建成为可能,这是可能在未来彻底颠覆人类现有科技体系的重大成就。三位科学家2010年即获得了有“小诺贝尔奖”之称的“沃尔夫奖”,十余年来始终是诺贝尔物理学奖的热门候选人。
和集成电路、蓝光LED等其它利用了量子技术的众多有形成果不同,量子科学本身具有高度的抽象性。这也是为什么对于普通公众来说,对量子通信的认识容易处于一种看不见摸不着的懵懂状态。在这里,笔者给自己定了个小目标——这篇文章将不会出现艰深的专门用语,而是尽量利用生活中的简单例子让大家对量子科学和量子通信有一个感性的认识。
快来花几分钟时间,了解一下人类最前沿的科学技术(之一)吧。
量子纠缠想象图(图片来源:诺奖官网)
01
我的地盘我做主
欢迎来到量子世界
经过一百多年的发展,量子科学的相关研究本身已经形成了枝繁叶茂的庞大系统,它的正确性也在不断得到验证。但是,不得不承认,量子科学的诸多规律与我们在宏观世界中的日常经验完全不同,笔者在硕士阶段学习相关课程时,也时常感到不可思议甚至是不愿相信。为了便于大家理解后面的内容,我们先用打比方的形式来举几个能体现量子世界奇妙性的例子。
在举例子之前,让我们先记住一些“设定”——当物理学研究对象本身的维度进入到微观领域时,量子理论就将掌控各种自然规律。微观量子世界中,“居民们”的第一条特性就是量子化。质量、能量等若干物理量,将从宏观世界中的连续变化呈现为间断性变化,体现出量子特征。
举个不太确切的例子,宏观世界的苹果,有大有小,苹果的大小可以连续变化。比如我们采摘一百颗苹果,它们的大小可能是0.1千克到1千克中的任意取值。而微观世界中的苹果,大小就不是连续变化的了,而是相当于某个基础苹果尺寸的整数倍,不存在其它尺寸的微观苹果。
在量子力学的世界中,很多物理量都是某一基础值的整数倍(图片来源:作者自制)
量子世界中,各种微观粒子都在一刻不停地进行着各种形式的运动,或者说,它们的状态在一刻不停地发生着变化。这与我们的日常经验倒是没有太大冲突,毕竟运动是永恒的,静止是相对的。但在量子世界中,粒子的运动具有天然的随机性,任何一个时刻,如果不进行测量,谁都无法知道微观粒子到底运动到了什么地方。
我们还是以苹果为例,宏观世界的苹果,成熟后就会掉落到地上,假设我们从苹果脱离苹果树的一刻开始进行计算,那么我们能够根据牛顿定律推算出苹果在落地前任意时刻的位置和速度。可是假如到了微观世界,苹果下一秒出现在哪里我们是无从得知的,只能给出一个概率,指出它大概在哪里。
量子世界的另外一个神奇之处在于,我们的观测会影响到微观粒子的状态。宏观世界的苹果,不管我们有没有盯着看,它们在短时间内颜色始终是固定的,要么是一颗青苹果,要么是一颗红苹果。不管你有没有闭上眼睛,苹果的颜色不会发生变化。而微观世界的苹果呢?在我们没有进行观测之前,微观苹果的状态是随机的,可能是红也可能是绿。一旦我们睁眼观察,微观苹果的状态就会固定,呈现绿色或者红色。
量子力学奠基人群像(1927年第五次索尔维会议)
(图片来源:公有领域)
02
量子纠缠——粒子间的“心灵感应”
说完了量子世界中的一些基本原理,我们来看看量子纠缠和量子通信到底是怎样的概念。
量子纠缠是量子世界中,一个非常玄幻的现象。一旦一对(或者多个)微观粒子处于纠缠态,它们之间就会发生相互影响,当一颗粒子的状态发生变化,另外一颗也将瞬间随之变化。最为神奇的是,这种纠缠并不是宏观意义上真的像线团一样的绕在一起,而是可以在非常遥远的距离上实现。
下面我们来看例子,假如两颗微观小苹果处于纠缠态,那么当其中一颗呈现绿色的时候,另外一颗就瞬间呈现红色。即便它们一颗在金星,一颗在火星,这种状态变化仍然会穿越时空,在瞬间发生。
量子纠缠如此神奇,因此它的概念一经提出,立刻成为了诸多科学狂想的理论基础,其中比较典型的是瞬间移动和量子通信。所谓的瞬间移动就是哆啦A梦的传送门,可以将人或者物体在瞬间传送到很远的地方。不得不说,虽然量子纠缠有一点瞬间移动的意味,但发生移动的并不是实体,而仅仅是状态,并且是微观粒子的某些特殊状态。所以,瞬移到底有没有实现可能,并不是量子纠缠能够回答的。
一种制备纠缠光子对的方法
(图片来源:维基百科,作者:老陈)
03
量子通信,让科学狂想照进现实
不过,量子通信倒是确确实实已经成为了人类目前的研究热点之一,它的理论基础便是量子纠缠。试想,当两个粒子处于纠缠态,不论相隔多远,一旦其中之一的状态被我们观测确定,另外一个的状态也就随之固定。也就是说虽然不能传送实体,但是可以传送信息,这不就是现代通信在做的事情吗?
实际的量子通信当然非常复杂,不过我们仍然可以用打比方的形式尽量通俗地理解量子通信的实施过程。
首先,我们需要在微观果园里,培育两颗满足量子纠缠状态的小苹果,它们一颗绿色,一颗红色,且某一颗变色后另外一颗就会同时瞬间变色。下面我们把两颗小苹果中的一颗送去火星,另外一颗就在地球。此时它们还不具备传送信息的能力,所以我们还需要引入一颗专门进行控制的小苹果。
当我们把第三颗小苹果靠近地球上的小苹果时,地球上的小苹果就会发生状态改变,比如红色变绿色。此时火星上的小苹果就会瞬间感应到这种变化,从绿色变成红色。如此一来,就完成了一次信号的传递。之后,如果我们把地上的第三颗小苹果拿走,第一颗小苹果就会瞬间变回红色,而火星上的第二颗小苹果就会瞬间变成绿色。即便是红绿两种状态,也可以定义为二进制计算机中的0和1,假如第三颗小苹果靠近和拿走的速度足够快,我们就足以在短时间内传递丰富的信息。
不得不说,从普通人的视角来看,量子纠缠实在是太“邪乎”了,就算是黑洞都没有这么让人难以接受。可是,它确实是物质世界的基本规律,正如诺贝尔奖委员会在奖项宣布时所说,量子纠缠并非是科学极客的自娱自乐,更不是科学幻想,它切实存在于我们每一个人的身边。
值得一提的是,2018年中国墨子号量子通信卫星完成洲际间量子通信实验的事例也出现在了奖项宣布时的官方PPT中,这是对中国在此领域取得成就的巨大肯定,也让我们共同期待更多的进展。
出现在诺奖官方PPT中的中国墨子号
(图片来源:诺奖官网)
无论是昨天的生理或医学奖,还是今天的物理学奖,今年的诺奖似乎对基础研究更加青睐,不知道化学奖将会花落谁家呢?让我们拭目以待。
出品:科普中国
作者:张昊
监制:中国科普博览
文章由科普中国出品,张昊制作,中国科普博览监制。转载请注明来源
本文来自版权图库的图片,不授权转载。
推荐
精彩放送
-
世界今亮点!漫谈计算化学
科普中国资源服务
-
天天观焦点:诺贝尔大奖授予新发现:好色是进化的原动力,杂交让人类更聪明?
科普中国资源服务
-
今日热搜:【水电鱼类增殖放流 保护水域生态环境】② 让鱼儿“安家”母亲河
科普中国资源服务
-
今日热讯:村头立着一座国际大奖,是什么体验?|大国科技范
科普中国资源服务
-
环球快看点丨什么是脑卒中的溶栓与取栓治疗?
科普中国资源服务
-
环球观天下!首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:土壤、水晶、花
科普中国资源服务
-
今日热议:假的就是假的?人造肉赶不上天然肉
科普中国资源服务
-
世界快讯:首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:未来怎么吃
科普中国资源服务
-
全球热门:首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:地球改变元年
科普中国资源服务
-
全球速读:首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:星际餐厅
科普中国资源服务
-
世界热消息:中科院四代科研人接力为黑土粮仓扎起“绿色栅栏”
科普中国资源服务
-
【焦点热闻】什么是光,光是怎样产生的?
科普中国资源服务
-
全球快报:运动量是否越大越好?
科普中国资源服务
-
世界热头条丨气温骤降 “脑卒中”频发,我们该如何预防?
科普中国资源服务
-
环球观点:史上最冷遭遇史上最热——小议今年十一长假天气的极端异常性
科普中国资源服务
-
【天天速看料】新能源汽车的心脏—锂离子电池
科普中国资源服务
-
今日热讯:你的手机数据,也许就藏在祖国的西部地区!!!|大国科技范
科普中国资源服务
-
【闪电揭秘】日入10000?滨州无棣千年古桑园APP项目399模式怎么赚钱?
每天啥也不干?躺着就能全自动日入10000?是的,互联网的平民造富神话屡见不鲜,滨州无棣千年古桑园APP...
-
环球消息!聊聊伤口敷料那些事
科普中国资源服务
-
世界滚动:这10种被吹上天的“伪健康”食品,坑你的钱还让你胖!
科普中国资源服务
-
报道:鸟类分类垃圾筒——鹛类系统进化研究新进展
科普中国资源服务
-
焦点报道:小时候你打过针吗?
科普中国资源服务
-
重点聚焦!濒危物种——黄巨蜥|科普小课堂
科普中国资源服务
-
简讯:首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:杂交水稻
科普中国资源服务
-
世界观察:物质密度能够大到什么程度?中子星告诉你:每立方厘米重达20亿吨
科普中国资源服务
-
消息!能饮能药是咖啡
科普中国资源服务
-
天天动态:物质为何不能小于普朗克长度
科普中国资源服务
-
每日焦点!首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:起 源
科普中国资源服务
-
观察:文小刚:什么是量子比特?丨众妙之门
科普中国资源服务
-
全球动态:世界最偏僻的地方是哪里
科普中国资源服务
-
热消息:能抵御9级地震和航班撞击的核电机组,中国造!丨大国科技范
科普中国资源服务
-
天天百事通!首届宁夏中学生科普科幻作文大赛获奖作品展示:神奇的丹丸
科普中国资源服务
-
每日热讯!2022诺贝尔物理学奖:遇事不决,量子力学,微观世界的魔术师
科普中国资源服务
-
世界简讯:大自然的鬼斧神工,快来看你从未见过的神奇景观!
科普中国资源服务
-
资讯推荐:国际公认的一类致癌食物,很多家庭一日三餐都吃!
科普中国资源服务
-
环球速递!它变色了,也“变性”了……
科普中国资源服务
-
全球报道:搪瓷和陶瓷,你分清了吗?
科普中国资源服务
-
世界最新:“元宇宙”离我们有多远
科普中国资源服务
-
世界速讯:果树到冬季为啥要涂白?
科普中国资源服务
-
环球热门:【急救小常识】同伴溺水如何科学施救?
科普中国资源服务
-
环球热点评!今日重阳丨感恩!生命中最重要的人!
科普中国资源服务
-
资讯:太阳为啥还没有烧完?每秒消耗420万吨物质,都已经烧了46亿年
科普中国资源服务
-
热议:喝酸奶真的解酒吗?华西医生:没用!这个才有效
科普中国资源服务
-
当前滚动:中国秋水地图,来了!
科普中国资源服务
-
天天微资讯!你见过一天能暴走20公里的爆炸头吗?
科普中国资源服务
-
每日热门:应急科普—地震预警防御指南
科普中国资源服务
-
天天微速讯:逐梦星空,这些历史很“燃”丨大国科技范
科普中国资源服务
-
简讯:透视2022诺奖:人类如何诞生?
科普中国资源服务
-
全球新动态:运动如何改善免疫力?
科普中国资源服务
-
世界时讯:如果外星人来了,人类打不赢能躲得了吗?
科普中国资源服务
-
环球热资讯!真·要命:这种常见小花,花蜜不是谁都能采!
科普中国资源服务
-
环球快报:我们在宇宙中的“位置”
科普中国资源服务
-
当前热议!看完这篇文章,你就“打”遍天下无敌手了
科普中国资源服务
-
每日聚焦:站着吃好还是坐着吃好?看你是想减肥还是增重
科普中国资源服务
-
环球快资讯丨可怕的冥王星:被踢出太阳系行星行列,其实一点也不冤
科普中国资源服务
-
全球观速讯丨阿根廷巨鹰真以吃狮子为生?翅膀超7米身高超2米,仍未找到天敌
科普中国资源服务
-
每日热门:用公共卫生间会感染HPV?你怕是对HPV有什么误解
科普中国资源服务
-
焦点信息:从进化角度来看,人类繁衍后代,男性和女性谁付出得更多?
科普中国资源服务
-
环球头条:统治了地球1亿7千万年,恐龙却没有进化成高等智慧生物,为何?
科普中国资源服务
-
天天实时:人类的小行星-地球拯救计划
科普中国资源服务
-
全球新动态:大熊猫凭什么是国宝?
科普中国资源服务
-
环球即时看!地球上的沙子很多,宇宙中的恒星更多,宇宙中有多少星系?
科普中国资源服务
-
【新要闻】枕头只是用来枕“头”的?这么多年可能做错了
科普中国资源服务
-
短讯!谁来终结罕见高温?唯有寒潮强冷空气!
科普中国资源服务
-
世界看点:儿童听力受损,影响的只是说话吗?
科普中国资源服务
-
焦点观察:这种油会促进癌症转移?泡面、炸鸡、膨化食品还能吃么?
科普中国资源服务
-
当前最新:我国龟鳖的分布和分类
科普中国资源服务
-
动态:气候变暖,鸟类被迫北漂?
科普中国资源服务
-
环球关注:10年,从0到3……丨大国科技范
科普中国资源服务
-
天天简讯:中国的“母亲花”原来不是康乃馨,而是它!
科普中国资源服务
-
当前快看:海洋科普漫画丨这幅长图告诉你,海底8000米的世界是多么奇妙!
科普中国资源服务
-
每日短讯:电催化在现代科技中的重要作用
科普中国资源服务
-
环球看点!象形文字究竟从何而来?
科普中国资源服务
-
当前要闻:臭氧污染威胁植物健康,传粉昆虫更难找到花朵|绿会国际讯
科普中国资源服务
-
世界看热讯:多伦多大学最新研究成果:确定北冰洋温盐阶梯的机制|绿会国际讯
科普中国资源服务
-
每日报道:中国天眼究竟有多厉害?
科普中国资源服务
-
每日报道:金星距离地球最近,为什么人类不登陆金星,而去火星?
科普中国资源服务
-
全球消息!老年人、慢性病患者改善免疫力的饮食建议
科普中国资源服务
-
新资讯:为什么“平头哥”无所畏惧?敢和各种毒蛇猛兽硬碰硬!
科普中国资源服务
-
每日观点:地球一直在高速飞行,为何人类毫无察觉?
科普中国资源服务
-
焦点速读:从“一”到“L”,问天实验舱成功转位!
科普中国资源服务
-
热点聚焦:鄢陵县一枫少年科学院试运行
科普中国资源服务
-
环球今日报丨C919获型号合格证!
科普中国资源服务
-
微资讯!国庆出行必看!关系到每个人
科普中国资源服务
-
【闪电揭秘】千年古桑园是传销吗?
你好这位朋友,我是杨中根,千年古桑园首批内测团队长之一。对于千年古桑园是传销吗?这个问题,我经过...
-
【闪电揭秘】千年古桑园是什么?
嘿嘿,你好,我是杨中根,非常高兴认识你。我是千年古桑园项目总部,邀请过来参与内测的团队长之一。下...
-
【闪电揭秘】千年古桑园投资多少钱?
千年古桑园投资多少钱?399即可,以小博大。你好,我是杨中根,互联网创业多年,闪电军团创始人,千年古...
-
【世界聚看点】食物破壁机是营养吸收助推器,还是智商税?
科普中国资源服务
-
世界热点!长江江豚科考日记:我是江豚的“特约观察员”
科普中国资源服务
-
当前热议!越能吃辣的地方,肛肠医院越多?
科普中国资源服务
-
【当前热闻】问天实验舱转位,硬核知识点来了!
科普中国资源服务
创投更多》
-
欧菲光上半年净利亏损8.74亿 因苹果终止采购关系?
8月30日消息,日前,欧菲光发布2022年半...
-
欧菲光上半年净利亏损8.74亿 因苹果终止采购关系?
8月30日消息,日前,欧菲光发布2022年半...
-
映宇宙:上半年总收入40.6亿元 商誉减值亏损约为1.1亿元
8月29日消息,映宇宙发布截至2022年6月3...
-
贾跃亭的FF91量产有新转机 有望2022年第三季度启动交付
对于贾跃亭来说,FF91的量产交付迟迟没...
-
44家上市企业一年财报:小家电撑不起千亿市值
作为互联网原住民,这届年轻人极其热衷...