量子糾纏

量子糾纏
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量子糾纏
中文名稱：量子糾纏提出者：愛因斯坦、波多爾斯基、羅森塔爾提出時間：1935年應用學科：量子力學

量子糾纏(quantum entanglement)，或稱量子纏結，是一種量子力學現象，是1935年由愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出的一種波，其量子態表達式:其中x1，x2分別代表了兩個粒子的坐標，這樣一個量子態的基本特徵是在任何表象下，它都不可以寫成兩個子系統的量子態的直積的形式。定義上描述複合系統(具有兩個以上的成員系統)之一類特殊的量子態，此量子態無法分解為成員系統各自量子態之張量積(tensor product)。量子糾纏技術是安全的傳輸信息的加密技術，與超光速傳遞信息相關。儘管知道這些粒子之間"交流"的速度很快，但我們目前卻無法利用這種聯繫以如此快的速度控制和傳遞信息。因此愛因斯坦提出的規則，也即任何信息傳遞的速度都無法超過光速，仍然成立。實際上的糾纏作用並不很遠。2016年12月，從中國科學技術大學獲悉，潘建偉院士及同事陸朝陽、陳宇翱等近期在量子信息科研領域再獲重大突破，他們通過兩種不同的方法製備了綜合性能最優的糾纏光子源，首次成功實現"十光子糾纏"，再次刷新了光子糾纏態製備的世界紀錄。2017年6月15日公布，中國量子科學實驗衛星"墨子號"迎來了第一項重大成果，率先成功實現"千公里級"的星地雙向量子糾纏分發，打破了此前國際上保持多年的"百公里級"紀錄。2018年2月，中國實現星地千公里級量子糾纏和密鑰分發及隱形傳態，榮獲科技部2017年度中國科學十大進展。^[1]

簡介

量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象，雖然粒子在空間上可能分開。糾纏是關於量子力學理論最著名的預測[1] 。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠距離，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態[1] 。當其中一顆被操作(例如量子測量)而狀態發生變化，另一顆也會即刻發生相應的狀態變化[1] 。愛因斯坦將量子糾纏稱為"鬼魅似的遠距作用(神鬼級的遠距離相互操作作用)"(spooky action at a distance)[1] 。但這並不僅僅是個詭異的預測，而是已經在實驗中獲得的現象，比如科學家通過向兩個處於室溫的糾纏的小鑽石發射激光(圖中綠色)[1] 。科學家希望能夠建造量子計算機，利用粒子糾纏進行超高速計算。在物理學中，量子糾纏是指存在這樣一些態:一、A,B,C，…，在t<時，這些態之間不存在任何相互作用;二、當t>時，它們的狀態由Hilbert空間(希爾伯特空間)HA，HB，HC...，中的矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,…所描述，由A，B，C空間構成的量子系統ABC則由Hilbert空間HABC...=.HA ×HB ×HC...中矢量| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C所描述，則這樣的態被稱為比Hilbert空間的直積態。否則稱態| Ψ(t)>A，| Ψ(t)>B，| Ψ(t)>C,.…是糾纏態。也就是說，如果存在糾纏態，就至少要有兩個以上的量子態進行疊加。量子糾纏說明在兩個或兩個以上的穩定粒子間，會有強的量子關聯。例如在雙光子糾纏態中，向左(或向右)運動的光子既非左旋，也非右旋，既無所謂的x偏振，也無所謂的y偏振，實際上無論自旋或其投影，在測量之前並不存在。在未測之時，二粒子態本來是不可分割的。

現象解釋

量子糾纏所代表的在量子世界中的普遍量子關聯則成為組成世界的基本的關聯關係。或許用糾纏的觀點來解釋"夸克禁閉"之謎。當一個質子處於基態附近的狀態時，它的各種性質可以相當滿意地用三個價夸克的結構來說明。但是實驗上至今不能分離出電荷為2e/3的u夸克或(-e/3)的d夸克，這是由於夸克之間存在着極強的量子關聯，後者是如此之強，以至於夸克不能再作為普通意義下的結構性粒子。通常所說的結構粒子a和b組成一個複合粒子c時的結合能遠小於a和b的靜能之和，a或b的自由態與束縛態的差別是不大的。而核子內的夸克在"取出"的過程中大變而特變，人們看到的只能是整數電荷的介子等強子。同一個質子，在不同的過程中有不同的表現，在理解它時需要考慮不同的組分和不同的動力學。一個質子在本質上是一個無限的客體。實質上整個宇宙是一個整體的能量慣性體系包括實在的粒子和空間，由於能量慣性的存在，整個能量體系時刻按一定的能量運動規律運動，宇宙中的每一個粒子作為宇宙能量的一分子它本身的能量慣性狀態始終與宇宙環境保持一致即能量的穩定性，它們的電磁能量波始終存在着相互作用。當倆物質粒子同時處於某一狀態即儘量使之處於基態或能量控制編碼態，它們在相互作用時產生了電磁能量慣性互動及量子糾纏現象。因此，物質具有能量然而人們只能從物質的相互作用中獲得並得到利用。

公式表達

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森( Einstein, Podolsky and Rosen) 等人提出一種波，其量子態:其中x1，x2分別代表了兩個粒子的坐標，這樣一個量子態的基本特徵是在任何表象下，它都不可以寫成兩個子系統的量子態的直積的形式。這樣的量子態稱為糾纏態。

量子描述

所謂的糾纏度是指所研究的糾纏態攜帶糾纏的量的多少。對糾纏度的描述，實質上是對不同糾纏態之間建立定量的可比關係。糾纏狀態所糾纏的粒子數量越多，對經典物理學的偏離越明顯，獲得有用量子效應的機會就越大。所以，在量子信息領域中，糾纏通常被看作是非局域的"信息源"。於是，如何對糾纏定量化就顯得十分重要。但對於兩體純態而言，它仍是兩體純態唯一合理的糾纏度定義。對於多體糾纏度的描述的研究到目前為止仍沒有得到真正的解決，人們仍未放棄尋找一種物理意義上更為鮮明、簡單、易於求解的糾纏度的描述。

量子特點

量子力學是非定域的理論，這一點已被違背貝爾不等式的實驗結果所證實，因此，量子力學展現出許多反直觀的效應。量子力學中不能表示成直積形式的態稱為糾纏態。糾纏態之間的關聯不能被經典地解釋。所謂量子糾纏指的是兩個或多個量子系統之間存在非定域、非經典的強關聯。量子糾纏涉及實在性、定域性、隱變量以及測量理論等量子力學的基本問題，並在量子計算和量子通信的研究中起着重要的作用。多體系的量子態的最普遍形式是糾纏態，而能表示成直積形式的非糾纏態只是一種很特殊的量子態。歷史上，糾纏態的概念最早出現在1935年薛定諤關於"貓態"的論文中。糾纏態對於了解量子力學的基本概念具有重要意義，已在一些前沿領域中得到應用，特別是在量子信息方面(例如，量子遠程通信)。我國科學家潘建偉已經成功的製備了8粒子最大糾纏態。

理論發展

理論產生

從19世紀末到20世紀初，量子力學快速發展並完善起來，解決了許多經典理論不能解釋的現象，大量的實驗事實及實際應用也證明了量子力學是一個成功的物理理論。但是關於量子力學的基本原理的理解卻存在不同的解釋。眾多的物理學家在自己觀點的指引下，對量子力學的基本解釋提出了自己的看法，主要有三種:傳統解釋、PTV系統解釋和統計解釋，這三種解釋之間既有區別又有聯繫。傳統解釋出發點是量子假設，強調微觀領域內每個原子過程或基元中存在着本質的不連續，其核心思想是玻爾的互補原理(並協原理)，還接受了玻恩對態函數的概率解釋，並把這種概率理解為是同一個粒子在給定時刻出現在某處的概率密度。PTV系統解釋的代表是玻姆，這種解釋試圖通過構造各種隱變量量子論來尋找量子力學的決定論基礎，即為態函數的概率解釋建構決定論的基石，目的是在微觀物理學領域內恢複決定論和嚴格因果性，消除經典世界同量子世界的獨特劃分，回到經典物理學的預設概念，建立物理世界的統一說明。統計解釋認為態函數是對統計系統的描述，量子理論是關於系統的統計理論，這個系統是由全同地(或相似的)製備的系統組成，不需要一個預先確定的動力學變量的集合，是一種最低限度的系統解釋。上面講到三種觀點之間，是既有聯繫又有區別，正是由於各方都堅持己見，才有了著名的愛因斯坦與玻爾之間的論戰。(愛因斯坦說:"上帝不擲骰子。"玻爾說:"親愛的愛因斯坦不要指揮上帝做什麼。")量子糾纏才被愛因斯坦以一個悖論的疑問提出。量子糾纏就此提出。1927年9月，玻爾在科摩會議中首度公開地演講他的互補原理，由於他採用了大量的哲學語言來闡釋互補原理，使大家感到震驚與困惑。當時大多數人對於測不準關係及互補原理的深刻內涵還不大明了。幾個星期後在布魯塞爾舉行的第五屆solvya會議，包括玻爾、愛因斯坦、玻恩、薛定諤、海森堡等世界最著名的科學家都出席了這項盛會。玻爾在會議中重述了他在科摩會議上的觀點。由於愛因斯坦並未參加科摩會議，因為目前地球上面能干擾量子糾纏的環境基本沒有，他出席了也沒有任何的證明量子學還是在他的知識理論下。但他知道，量子糾纏在黑洞，及更小的等級時絕對會干擾量子糾纏，這還是他首次聽到玻爾親自闡述互補原理和對量子力學的詮釋。

理論完善

1951年，玻姆在《量子理論》中重新表述了EPR思想，用兩個自旋分量代替原來的坐標和動量，為進一步研究特別是實驗檢驗奠定了基礎。1952年，玻姆在《物理學評論》上連續發表兩篇文章，提出了量子力學的隱變量解釋。玻姆認為，在量子世界中粒子仍然是沿着一條精確的連續軌跡運動的，只是這條軌跡不僅由通常的力來決定，而且還受到一種更微妙的量子勢的影響。量子勢由波函數產生，它通過提供關於整個環境的能動信息來引導粒子運動，正是它的存在導致了微觀粒子不同於宏觀物體的奇異的運動表現。玻姆理論最引人注目之處在於它對測量的處理。在這一理論中，量子系統的性質不只屬於系統本身，它的演化既取決於系統同時也取決於測量儀器。因此，關於隱變量的測量結果的統計分布將隨實驗裝置的不同而不同。正是這個整體性特徵保證了玻姆的隱變量理論與量子力學(對於測量結果)具有完全相同的預測。然而，它也導致了一個令人極不舒服的結果。根據玻姆理論的預言，儘管它為粒子找回了軌跡，但卻是一條永遠不可見的軌跡，理論中引入的隱變量-粒子的確定的位置和速度都是原則上不可測知的。人們永遠無法知道粒子實際的運動軌跡，對它們的測量將總是產生與量子力學相一致的結果。此外，玻爾理論所假設的另一物理實在波函數同樣是不可探測的隱變量，因為對單個粒子的物理測量一般只產生一個關於粒子性質的確定的結果，而根本測不到任何平場的性質。

糾纏態製備

多光子糾纏態的製備和操控一直是量子信息領域的研究重點。世界上普遍利用晶體中的非線性過程來產生多光子糾纏態，其難度會隨着光子數目的增加而指數增大。2000年，美國國家標準局在離子阱系統上實現了四離子的糾纏態。2004年，合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部的研究人員打破了這一紀錄，在國際上首次成功實現五光子糾纏的操縱。2005年底，美國國家標準局和奧地利因斯布魯克小組分別宣布實現了六個和八個離子的糾纏態，並且一直保持着這個紀錄。中科院量子信息重點實驗室李傳鋒、黃運鋒研究組在郭光燦院士的領導下，成功製備出八光子糾纏態--GHZ態，並進一步利用產生出的糾纏態完成了八端口量子通信複雜性實驗。實驗結果超越了以往界限，展示了量子通信抗干擾能力強、傳播速度快的優越性。研究工作於2011年11月22日在線發表在《自然·通訊》上。

應用領域

糾纏態作為一種物理資源，在量子信息的各方面，如量子隱形傳態、量子密鑰分配、量子計算等都起着重要作用。然而，受實驗條件限制和不可避免的環境噪聲的影響，製備出來的糾纏態並非都是最大糾纏態:另一方面，純糾纏態受環境的消相干作用也會退化成為混合態。使用這種混合糾纏態進行量子通信和量子計算將會導致信息失真。為達到更好的量子通信或量子計算效果，需要通過糾纏純化技術將混合糾纏態純化成純糾纏態或者接近純糾纏態。因此，如何提純高品質的量子糾纏態是量子信息研究中的重要課題。常見量子糾纏態應用，例如:量子通訊應用於量子態隱形傳輸;量子計算應用於量子計算機，量子計算在實現技術上有嚴重的挑戰,實現這一問題要解決另外三個問題--量子算法、量子編碼、實現量子計算的物理體系，量子保密通訊也廣泛應用於量子密碼術中。

量子互聯網

由鏈狀糾纏粒子環繞整個地球而形成的量子通信網絡。這種網絡能夠安全地共享加密密碼，並且絕對能夠監測到竊聽的企圖。

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