量子纠缠与量子网络技术解析

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 Hardesty2022年10月12日5分钟阅读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更多精彩内容 请关注我的个人公众号 公众号办公AI智能小助手或者 我的个人博客 https://blog.qife122.com/对网络安全、黑客技术感兴趣的朋友可以关注我的安全公众号网络安全技术点滴分享