入门视角看2022年物理诺奖与其现有落地应用

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颁奖内容及原因

  • 量子纠缠,且主要在验证贝尔不等式的实验工作
  • 历史:爱因斯坦有一句很经典的语录:“上帝不掷骰子”,他认为所有的事物因果应该是确定的,只不过以目前人类的技术没法找到其他关联因素(隐变量)。他与波尔的第三次交锋提出EPR(EPR分别代表三个人)实验:两个纠缠的粒子(如⬆⬆+⬇⬇)分开至一光年,当你测量手中的粒子为上你就可以确定对方的粒子为上,这被认为是一种超距作用,超出了相对论中光速为上限的定义。直到另一个天降猛男约翰·贝尔出现,贝尔不等式给了一个假想实验(当时还没有条件做),提出如果是存在隐变量那么测量的结果应该存在线性关系(如在一个只有a,b,c球的箱子中你不可能摸到了2个a),如果超出了经典的范畴则会真的摸到两个a,那么证明。
  • 实验设计与完善:
    • 早在1972年就有了一个基础实验,但是由于距离,光子发射器和测量等因素被人们质疑。于是到了我们三个主角登场了
    • 阿兰·阿斯佩通过一种新的激发原子的方法,使它们以更高的速率发射纠缠光子。他还可以在不同的设置之间切换,这样系统就不会包含任何可能影响结果的预先信息。
    • 约翰·克劳泽使用了钙原子。他用一种特殊的光照射钙原子之后,可以发射纠缠光子。他在两侧用滤光片测量光子的偏振。经过一系列测量,他证明它们违反了贝尔不等式。
    • 安东·塞林格后来对贝尔不等式进行了更多测试。他通过将激光照射在特殊晶体上来制备纠缠光子对,并使用随机数切换测量设置。一项实验使用来自遥远星系的信号来控制滤光片并确保信号不会相互影响。

现有落地应用

  • 在该诺奖颁奖项目中多次提到我国潘建伟院士及中国科学家的相关成就包括墨子号和量子密钥分发相关领域的贡献
    • 图解墨子号如何工作

      screenshot-image.baidu.com-2022.10.07-13_44_18.png

    • 由墨子号卫星过境时开始,两个地面站与卫星建立光路,墨子号卫星创建创建密钥(纠缠的两个光子)多个分发到两个地面站

    • 地面站会用随机的测量得到密钥本身。将测量的顺序告知对方后得到相同的测量顺序。其间并不将密钥发送出去,因为两者皆收到相同的从墨子号发送的密钥信息,只要确定对方的测量顺序即可生成相同的密钥(图片引用:www.bilibili.com/video/BV1Q3… screenshot-www.bilibili.com-2022.10.07-13_53_35.png

    • 解释:如墨子号发送了上述8个纠缠的光子对到两个地面站,地面站随机测量,将测量顺序告知对方,发现只有,2,5,6,8号光子的测量方向相同那么就用他们就会用对应测量方向生成的测量结果1,1,0,0生成密钥。该密钥能直接拿去加解密数据

  • 为什么说这个流程是安全的呢
    • 坏人想要截获密钥必须设法截获同时创建相同的光子,由于不可克隆性,创建的内容会在上述地面站测量后纠错过程发现有误后丢弃本次传输的密钥