1.9倍光速传输信息 量子纠缠态是如何做到的

2016年10月13日08:02  来源:科技日报
 
原标题:1.9倍光速传输信息 量子纠缠态是如何做到的

  处于纠缠态的两个粒子之间虽然已被验证存在“幽灵般的超距作用”,但在传统的量子力学中,这种超距作用是不能用来超光速地传播信息的。而中科大的研究团队此次则成功地通过实验验证:在PT对称理论的世界中,纠缠可以被用来实现超光速的信息传输。

  量子力学诞生100多年以来,几乎在所有物理学领域都取得了巨大的成功。然而,对于量子力学的基础,特别是它如何与广义相对论理论相融合的问题,直到现在,量子力学理论仍不能给出满意的答案。日前,中国科学技术大学研究人员发表于英国《自然·光子学》杂志上的一项研究,成功模拟了宇称—时间(Parity-time, PT)对称世界中的超光速现象,或在回答这一问题的道路上迈进了一步。

  不可思议的超距作用

  贝尔不等式的提出,使量子力学的完备性从哲学上的思辨变成了可以实验验证的问题。后来,越来越多的实验支持超距作用,不支持局域实在论。

  上世纪20年代,以玻尔、海森堡等为代表的几位量子物理学家建立了一种诠释法,将世界分为截然不同的两个领域,一个是经典的,一个是量子的。在量子世界中,一切都受一种特定的场或者波来支配,这个场或波告诉我们某个真实状态实现的概率是多少。而当这个量子波通过一次测量或其他相互作用触碰到经典领域的某个东西时,波函数会立即“蒸发”或者塌缩,消除所有的其他状态,只剩一个真实态。玻尔等学者认为,在测量之前,关于这个世界我们所能知道的只是一系列概率。

  爱因斯坦始终认为玻尔的诠释是不完备的,在这场旷日持久的争论中,他一直扮演反对者的角色。在物理学大咖云集的1927年第五次索尔维会议上,爱因斯坦指出,比如对一个电子正在发生的事情,玻尔的理论给出了特定时刻在某位置上发现这个电子的概率,但如果它出现在A地,就会阻止这个电子出现在B地,也即,出现在“这里”的一个作用使得这个作用出现在“那里”变为不可能。爱因斯坦认为,“这个过程假定了一个非常奇特的、超距离的作用机制”,换言之,要么承认超距作用的存在,要么玻尔的理论就是不完备的。

  终其一生,爱因斯坦都主张局域因果性,即认为物体不能以超光速传播,否定超距作用。20世纪60年代,爱尔兰物理学家约翰·贝尔在一篇影响深远的论文中,演示了量子力学理论里“设置一个测量装置会影响另一个仪器的读数,不管有多远”,并提出了著名的贝尔不等式,他说:“这个定理无疑暗示爱因斯坦的、被光速简洁地分成不同区域的时空概念不是无懈可击的。”

  贝尔不等式的提出,使量子力学的完备性从哲学上的思辨变成了可以实验验证的问题。后来,越来越多的实验支持超距作用,不支持局域实在论。直到2015年,荷兰代尔夫特理工大学的团队宣布,他们设计并进行了迄今为止最严格的实验,首次在无漏洞下验证贝尔不等式被破坏,从而证明量子力学的“超距作用”是真实的。这项研究被《环球科学》杂志列入2015年十大科学新闻之一。

  当PT对称理论遇上量子力学

  物理学家预言,PT对称理论中非厄米哈密顿量系统也会带来新奇的物理现象——纠缠能够被用来实现超光速信息传输。

  处于纠缠态的两个粒子之间虽然已被验证存在“幽灵般的超距作用”,但在传统的量子力学中,这种超距作用是不能用来超光速地传播信息的。而中科大的研究团队此次则成功地在实验上验证:在PT对称理论的世界中,纠缠可以被用来实现超光速的信息传输。

  首先,什么是PT对称理论呢?它与一个物理学家求解工作中经常会碰到的物理量有关。“我们知道,量子力学本身是由一系列假设建立起来的,其中一个涉及到描述量子系统的基本物理量——哈密顿量,”研究论文的通讯作者之一、中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室教授韩永建对科技日报记者解释道:“一个物理系统的性质,是由哈密顿量来确定的。”

  传统的量子力学公设,大都有其物理的根源,但有一条是纯粹数学的要求——那就是要求系统的哈密顿量必须是“厄米”的。所谓厄米的,意味着矩阵同时经过“转置”和“共轭”两种变换后与原来的矩阵一样;而如果经过变换后矩阵和初始的矩阵不同,就是非厄米的。厄米的哈密顿量,表明着体系的能量是实数,且总概率守恒。

  本世纪初,美国物理学家卡尔·班德等人提出了不同的意见,他们认为,哈密顿量必须是厄米的这条数学要求过于严格,应当予以放宽。而应当如何放宽呢?

  “转置和共轭这两个变换可以换成两个更弱且更‘物理’的变换——空间(P)和时间(T)的反演变换”,韩永建说,“放宽哈密顿量的厄米条件——这条数学要求——到PT对称,而虽然放宽了这一数学条件,但它所对应的物理要求——能量的实数性以及总概率守恒——仍然得以保持。”哈密顿量只需要同时满足空间和时间反演对称性,系统能量的实数性以及总概率守恒就仍得以保持。

  这样一来,在PT的假设下,一些非厄米的哈密顿量也变成了合法的,也符合能量的实数性以及总概率守恒这一物理要求。十多年来,PT对称理论已在经典光学领域中大有作为;而在量子世界中,物理学家预言,PT对称理论中非厄米哈密顿量系统也会带来新奇的物理现象——纠缠能够被用来实现超光速信息传输。而中科院量子信息重点实验室团队的实验,就成功地验证了这一理论预言。

  让信息以1.9倍光速“飞”

  PT对称理论有可能为量子力学开拓崭新的领域。有趣的是,PT对称理论中可以引入度规,进而为在量子力学框架下引入引力提供了一种可能。

  为了模拟PT对称理论世界中的超光速现象,团队利用量子模拟器进行了复杂的实验。

  “我们首先需要将一对纠缠光子对分发到相隔25米的两个实验室中”,韩永建介绍说,在其中的一个实验室中,研究人员利用一系列量子逻辑门以及一个后选择操作,使得纠缠光子对中的一个光子做PT对称理论控制下的非幺正演化。然后,对类空分隔的两个光子进行同时测量,“类空性需要快速的测量来保障,我们的测量时间为43.5纳秒”。

  测量结果表明,编码在PT对称世界的信息可以以超过1.9倍的光速从一个实验室传输到另一个实验室。

  “当然,在我们的实验中,PT对称世界是概率性实现的(50%的概率)”,韩永建说,因而,需要额外的信息来判断系统是否在PT世界中。如果加上这一部分需要的信息,整个系统是不会有超光速现象发生的,这与我们所处的世界和现有的量子力学是一致的。

  PT对称理论有可能为量子力学开拓崭新的领域。韩永建介绍说,爱因斯坦的广义相对论理论,是用几何量度规来描述的;而在传统量子力学中,度规是不起任何作用的。“有趣的是, PT对称理论中可以引入度规,进而为在量子力学框架下引入引力提供了一种可能”。

  未来,PT对称理论是否有助于推动量子力学与广义相对论理论的相融合呢?韩永建客观地表示,现在还远没有到那一步,目前的工作还停留在研究PT对称理论中的现象阶段。“即使PT对称理论在自然界存在且是正确的,它是否就能融合广义相对论,仍然还有很长的路要走”。(刘岁晗)

(责编:王艺锭、熊旭)

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