3个关于诺贝尔物理学奖的问题与Antia Lamas-Linares的对话
某机构量子通信项目负责人谈及诺贝尔奖得主对她所在领域的影响。
作者：Larry Hardesty
2022年10月12日
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上周，瑞典皇家科学院宣布，约翰·克劳泽、阿兰·阿斯佩和安东·蔡林格因“利用纠缠光子进行实验，确立了对贝尔不等式的违背，并开创了量子信息科学”而获得诺贝尔物理学奖。
Antia Lamas-Linares，某机构首席研究科学家兼某机构量子网络中心负责人。
当两个量子子系统（粒子、原子或分子）发生“纠缠”时，对其中一个进行的测量与对另一个进行的测量相互关联。克劳泽、阿斯佩和蔡林格研究的实验装置（广泛分离的纠缠量子子系统）与现代量子网络中使用的装置密切相关。量子网络的首个应用很可能是量子密钥分发，其中两方交换私有加密密钥，并利用量子纠缠确保其通信信道未被入侵。
值此瑞典皇家科学院宣布获奖之际，某机构科学博客向Antia Lamas-Linares（某机构量子网络中心负责人）提出了三个关于克劳泽、阿斯佩和蔡林格的工作及其对她所在领域影响的问题。
问：克劳泽和阿斯佩获得诺贝尔奖的成就之一，是一系列挑战“隐变量假说”的实验。什么是隐变量假说？他们的实验是怎样的？
答：在量子力学早期，当人们开始审视这个能够成功预测原子光谱等事物的理论时，并思考其对理解物理理论的意义时，爱因斯坦和玻尔这两位20世纪早期物理学巨匠之间展开了一场持续多年的史诗级论战。问题在于，深入审视该理论会发现，例如，存在固有的随机性。你可以用完全相同的方式准备几个系统，然后测量系统的某个属性，结果却各不相同。这种差异源于非常根本的原因。并不仅仅是因为我们信息不足。即使拥有完美信息，相同测量的结果也可能不同。这与物理理论应有的运作方式不相容。
纠缠已经完成了从量子系统的一种令人不安的属性（以及一个哲学问题）到构成量子技术基础的转变。
—— Antia Lamas-Linares
基于这些挑战我们理解物理理论的根本观点，提出小小的悖论成了爱因斯坦的一种爱好。在量子力学中，可以形式化地写出称为纠缠态的东西，这是一种涉及多个粒子或多个子系统的状态。它描述了系统各部分之间的关联性。爱因斯坦的观点是：如果我将两个子系统分开很远，那么我可以测量其中一个的属性，并瞬间知道另一个的结果，即超光速通信，这与相对论不相容。他的结论是，一定存在一个潜在的“解释”量子力学关联和测量结果表观随机性的理论。本质上，结果看起来随机是因为存在我们不知道的隐变量。但如果知道它们的值，结果将是可预测的。这些理论后来被称为“隐变量”理论。直到20世纪60年代，约翰·贝尔提出了一个优美且非常简洁的定理，他说：假设存在一些以这种一般方式运作的潜在信息或潜在物理理论，我能否设计一组测量，使其结果与量子力学模型不同？
这被称为贝尔不等式。它表明，如果你测量一个特定的关联序列，得到的值低于某个阈值，那么可能存在一个潜在的隐变量理论来解释量子力学。但如果该值高于此阈值，则量子力学无法用隐变量解释。在这一点上，无论我们对量子力学的含义感到多么不适，都不能假装存在一个能将其完全解释的潜在理论。这确实改变了我们对现实本质的认知。测量结果的随机性是自然界的根本属性。它不仅仅是因为缺乏隐变量信息而导致的偶然。最终，人们说：好吧，让我们来测试这些。为此，你需要制造纠缠粒子，并按照贝尔定理规定的方式测量它们。这基本上就是约翰·克劳泽和阿兰·阿斯佩在20世纪70年代末到80年代初所做的，其精密度不断提高。安东·蔡林格没有参与那些贝尔不等式的测量，但他将纠缠用于大量开创性实验，例如量子隐形传态、纠缠交换以及三部分纠缠态的产生。
在他的原始实验中，约翰·克劳泽使用受辐照的钙原子发射纠缠光子对，并使用偏振滤光片测量它们偏振之间的关联。
问：那么，这一切与量子网络有什么关系？
答：对于量子网络，双方首先共享纠缠粒子。其理念是，双方的测量结果是完美关联的，但如果恶意方试图在中间进行测量，关联性就会被破坏，合法方可以检测到这一点。这与量子力学具有诸如不可克隆定理等特性有关，该定理确保未知的量子态无法被完美复制。因此，你不能随意复制任何经过的粒子，因为这不可避免地会改变原始状态。
因此，双方取一部分结果，利用经典通信，他们说：“嘿，让我们检查一下没有人干扰我们的测量。第一个测量你得到了什么？第3047个呢？”他们可以检查这些关联是否符合量子理论的预期。他们可能会牺牲大约10%的数据来检查这一点，如果关联性成立，他们就可以确信没有人篡改过纠缠粒子。需要明确的是，他们不是在共享消息。他们共享的是从纠缠粒子对测量中获得的关联随机数。关联随机数正是对称加密密钥所需要的。当你在加密系统中使用密钥时，需要两方共享一个秘密。只要该秘密不可预测，它是什么并不重要。通过这种方式，量子力学为我们提供了加密密钥的两个要求：随机性和私密性。
问：克劳泽最初的实验已经过去50年了。在此期间，我们对这些问题的思考发生了怎样的变化？
答：令人兴奋的是，纠缠已经完成了从量子系统的一种令人不安的属性（以及一个哲学问题）到构成量子技术基础的转变。我们不再将纠缠视为量子力学令人不安的结果。它现在是一种资源。
阿兰·阿斯佩曾说过，当他攻读博士学位时，多次被劝阻不要进行这些实验，因为研究物理学基础会毁掉职业生涯。如果你想成功，这不是你应该做的事情。我自己的博士研究专注于构建纠缠源，这是一项非常工程导向的任务。我需要设计一个系统（在我的案例中是非线性晶体）来为我提供更高质量的纠缠光子对。我并不是试图证明关于纠缠的哲学问题。你可以将Oskar（某机构量子硬件负责人）和我所做的大部分工作视为“纠缠工程”。我们在某机构的团队从事量子工程，而纠缠是我们生产、传输和测量的一种至关重要的资源。与约翰、阿兰和安东进行开创性工作时的情况相比，这是一个相当彻底的演变。
研究领域
量子技术
标签
量子网络，物理科学FINISHED
