数理科学

走近量子纠缠——量子纠缠态

作者:澳门葡亰娱乐场手机版    发布时间:2020-01-03 08:55     浏览次数 :51

[返回]

本报记者 杨保国瘦高个,戴着眼镜,有点腼腆,这是许金时给记者的第一印象。近日,在中科院量子信息重点实验室,记者见到了博士后许金时。不好意思,比较乱,我在办公室待的时间少。许博士讪讪地笑着。两点一线前不久,许金时的博士论文《光子纠缠态制备、应用及演化的实验研究》入选2011年全国百篇优秀博士论文。而2004年从福建师大考上中国科技大学郭光灿院士的研究生时,许金时对量子信息所知甚少。甚至研一上了一年理论课后,认识也还是表面的。一年后,在老师李传锋的指导下,许金时开始作量子信息实验研究,包括制备多光子纠缠态,这是量子通信和量子计算的源头资源;研究噪声环境下量子纠缠在传输过程中的演化规律等,目标是构建实用化的量子通信网络。当时,李传锋刚着手建量子点实验室,师徒二人从零开始。调试设备,理论计算,搭建实验光路,寻找光子纠缠对,不断优化,等等,许金时在量子世界里摸索。每天上午8:30前到实验室,晚上11点多回家,午餐和晚餐都在食堂凑合,中午困了就在办公桌上趴一会儿。许金时把自己6年来的生活概括为两点一线从宿舍到实验室。刚开始做实验时没经验,从找到光子纠缠对,到优化为高纯度的量子纠缠态,整整花了近两个月时间。有时,本想优化得更好一些,不料越优化越差,后来连原先那个纠缠点都找不到了。许金时感到烦躁,不想说话,甚至想重搭光路,但时间又不允许。幸亏我遇到了好老师。许金时对记者说,李传锋老师开头半年时间在实验室里陪着我,遇到困难时,他一边帮助分析,一边用其他小组以前遇到的困难鼓励我。有时,他们一不小心 从下午干到晚上8点,才想起晚饭还没吃。有时干到半夜,要叫醒门卫大爷开门。2006年,许金时关于四光子纠缠的第一篇论文发表在美国《物理评论A》上,这是他最感到高兴的时候。量子世界很神奇这样的生活,难道不感到枯燥?记者问。实验中不断发现神奇的现象,与经典世界迥然不同,很有意思,而且它们有可能改变世界的运行方式。许金时说,其实当你真正进入到这个世界时,并不是原先想象的那样难。许金时是我们小组公认最用功的人。李传锋说,实验室的科研条件和氛围好,他很珍惜,非常努力,效率也很高。有这样一个师兄,师弟们都向他看齐,他也无私地给予帮助。天道酬勤。近年来,许金时在量子信息实验研究领域收获颇丰:在实验上首次发现量子关联可以不被环境破坏,首次验证了量子关联和经典关联在消相干演化过程中的突变现象;实验验证了新形式的海森堡不确定原理;解决了对量子纠缠在噪声信道中演化进行有效刻划的难题;首次观察到量子纠缠突然死亡完全消失一段时间后又重新复活的奇异现象,相关论文先后在《自然通讯》、《自然物理》、《物理评论快报》等国际著名学术期刊上发表。将近6点,记者走进许金时所在的实验室,五六十平方米的实验室内摆满了设备,里面光线很暗,几个学生正在做实验,头上戴着小灯。这是量子存储平台,这是量子点平台,这是再生放大激光系统。许金时一一给记者介绍这些设备的用途,因为做实验的需要,这里大多数时间不能开灯。由于光线暗,加上设备运转发出的声音,不一会儿记者就感到压抑。你每天在这样的环境中待十多个小时,是否感到难受?记者问。已经习惯了。许金时说。许金时如此努力工作,妻子怎么看?记者后来拨通了他妻子小孙的电话。他的工作有意义,他自己又有兴趣,我得支持他。小孙告诉记者,只有当实验进展顺利时,她才强烈要求他在家待一天,担心他身体单薄,架不住长期疲劳。《科学时报》 (2011-12-30 A1 要闻)

5.量子纠缠态

波尔和爱因斯坦的第三次争论,本来应该发生在1933年的第七届索尔维会议上。但是,爱因斯坦未能出席这次会议,他被纳粹赶出了欧洲,刚刚风尘仆仆地到达美国,被应聘为普林斯顿高等研究院教授。德布罗依和薛定谔出席了会议,但薛定谔见双龙无首不想发言,德布罗依呢,据说是个法国贵族出身的花花公子,曾经用一页纸的论文打发结束了晃荡了五年的博士生涯,哪有精神去与这些人辩论啊。这令波尔大大松了一口气,会议上哥本哈根派唱独角戏,看起来量子论已经根基牢靠,论战似乎尘埃落定。

然而,爱因斯坦毕竟是个伟人,不是那么容易服输的。况且,那是上帝给他的使命:为物理学指路!无论是开创还是质疑,无论是披荆斩棘地朝前带领大军,还是回头转身,来一场唇枪舌战,其结果都是顺应天意:使物理这条猛兽不停地冲出困境,向前迈进。尽管他当时因战争而流离失所,尽管他的妻子身染重病,到了知天命年龄的爱因斯坦,始终未忘记他的这个神圣的‘天命’。

笔者的老师和论文委员会成员之一的约翰·惠勒(John Archibald Wheeler),曾经在一次聚会上,对笔者说过一段爱因斯坦的故事:1948年,普林斯顿的费曼在惠勒的指导下,完成了他的博士论文,他以惠勒早期的一个想法为基础,开创了用路径积分来表述量子力学的方法。当年,惠勒曾经将费曼的论文交给爱因斯坦看,并对爱因斯坦说:“这个工作不错,对吧?”又问爱因斯坦:“现在,你该相信量子论的正确性了吧!” 爱因斯坦沉思了好一会儿,脸色有些灰暗,怏怏不快地说:“也许我有些什么地方弄错了。不过,我仍旧不相信老头子会掷骰子!”

再回到波爱第3次论战:当年的爱因斯坦,初来乍到普林斯顿,语言尚且生疏,生活不甚顺畅,因此,他不堪孤身独战,找了两个合作者,构成了一个被物理学家们称为不是十分恰当的组合。

Boris Podolsky和Nathan Rosen是爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的助手。1935年3月,Physics Review杂志上发表了他们和爱因斯坦署名的EPR论文。文章中描述了一个佯谬,之后,人们就以署名的叁位物理学家名字的第一个字母命名,称为“EPR佯谬”。

EPR原文中使用粒子的坐标和动量来描述爱因斯坦构想的理想实验,数学表述非常复杂。后来,波姆用电子自旋来描述EPR佯谬,就简洁易懂多了。EPR论文中涉及到“量子纠缠态”的概念。这个名词当时还尚未被爱因斯坦等3位作者采用。(“纠缠”的名字是薛定谔在EPR论文之后不久,得意洋洋地牵出他那只可怖的猫时候,第一次提到的。)因此,我们首先解释一下,何谓纠缠态?

读者应该还记得我们解释过的“量子迭加态”。迭加态这个概念一直贯穿在我们这系列文章中,从薛定谔的猫,到双缝实验中有分身术的孙悟空,不都是这个匪夷所思的“迭加态”在作怪吗?不过,此文之前对迭加态的解释,都是针对一个粒子而言的。如果把迭加态的概念用于两个以上粒子的系统,就更产生出来一些怪之又怪的现象,那些古怪行为的专利,就该归功于“量子纠缠态”。

比如,我们考虑一个两粒子的量子系统。也就是说,有两个会分身的孙悟空同居一室,会有些什么样的状况发生呢?所有的状况不外乎归于两大类,一类是:两对孙悟空互不搭架,自己只和自己的分身玩。这种情况下的系统,可看作是由两个独立的粒子组成,没有产生什么有意思的新东西。

另一类情况呢,也就是两对孙悟空互相有关系的情况了。我们借用“纠缠”这个词来描述它们之间的互相关联。也就是说,这种情形下,两对量子孙悟空‘互相纠缠’,难舍难分。有趣的是,将来竟然有人出来证明说,这量子孙悟空之间亲密无间的程度,不是我等常人所能理解的,可以超过我们这个‘经典’人间所能达到的任何境界,任何极限哦。于是,我们只好叹息一声说:啊,这就是‘量子纠缠态’。

爱因斯坦等叁人提出的假想实验中,描述了两个粒子的互相纠缠:想象一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子的情况,两个小粒子向相反的两个方向飞开去。假设该粒子有两种可能的自旋,分别叫“左”和“右”,那么,如果粒子A的自旋为“左”,粒子B的自旋便一定是“右”,以保持总体守恒,反之亦然。我们说,这两个粒子构成了量子纠缠态。

用我们有关孙悟空的比喻将爱因斯坦的意思重复一遍:大石头中蹦出了两个孙悟空。每个孙悟空都握着一根金箍棒。这金箍棒有一种沿着轴线旋转的功能:或者左旋,或者右旋。两个孙悟空的金箍棒旋转方向互相关联:如果孙A的金箍棒为“左” 旋,孙B的金箍棒便一定是“右” 旋,反之亦然。我们便说,这两个孙悟空互相纠缠。

大石头裂开了,两个互相纠缠的孙悟空并不愿意同处一室,而是朝相反方向拼命跑,它们相距越来越远,越来越远……。根据守恒定律,它们应该永远是“左右”关联的。然后,如来佛和观音菩萨同时分别在天庭的两头,抓住了A和B。根据量子论,只要我们不去探测,每个孙悟空的金箍棒旋转方向都是不确定的,处在一种左/右可能性迭加的混合状态。但是,两个孙悟空被抓住时,A、B金箍棒的迭加态便在一瞬间坍缩了,比如说,孙悟空A立刻随机地作出决定,让其金箍棒选择 “左”旋。但是,因为守恒,孙悟空 B就肯定要决定它的金箍棒为“右”旋。问题是,在被抓住时,孙悟空A和孙悟空B之间已经相隔非常遥远,比如说几万光年吧,它们怎么能够做到及时地互相通信,使得B能够知道A在那一霎那的随机决定呢?除非有超距瞬时的信号来回于两个孙悟空之间!而这超距作用又是现有的物理知识不容许的。于是,这就构成了佯谬。因此,EPR的作者们洋洋得意地得出结论:波尔等人对量子论的几率解释是站不住脚的。

此一时彼一时!这时的波尔,已经知己知彼、老谋深算。他深思熟虑地考虑了一阵之后,马上上阵应战。很快就明白了,爱因斯坦的思路完全是经典的,总是认为有一个离开观测手段而存在的实在世界。这个世界图像是和波尔代表的哥本哈根派的“观测手段影响结果”的观点完全不一致的。玻尔认为,微观的实在世界,只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前,并不存在两个客观独立的孙悟空实在。只有波函数描述的一个互相关联的整体,并无相隔甚远的两个分体,既然只是协调相关的一体,它们之间无需传递什么信号!因此,EPR佯谬只不过是表明了两派哲学观的差别:爱因斯坦的“经典局域实在观”和波尔一派的“量子非局域实在观”的根本区别。

当然,哲学观的不同是根深蒂固难以改变的。爱因斯坦绝对接受不了玻尔的这种古怪的说法,即使在之后的二叁十年中,玻尔的理论占了上风,量子论如日中天,它的各个分支高速发展,给人类社会带来了伟大的技术革命。爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念,站在反对量子论的那边。

刚才谈到的约翰·惠勒,曾经与波尔及爱因斯坦在一起工作过,被人称为“哥本哈根学派的最后一位大师”,直到2008年去世,惠勒90多岁的高龄还在继续思考量子力学中的哲学问题。记得惠勒曾引用玻尔的话说,“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”。意思就是说,比如我们上面说到的两个互相纠缠的孙悟空,在被抓住之前,它们到底在哪里?离多远?是个什么模样?有没有金箍棒?金箍棒是左旋还是右旋?哥本哈根派认为,这些全都是些无意义的、不该问的问题。还没有被如来佛和观音抓住之前,没有什么所谓的“两个孙悟空”,它们并不是真实存在的东西!

惠勒对量子论的贡献是非同一般的。上世纪80年代初期,笔者有幸与惠勒博士在一起工作,并准备和翻译当时他去中国访问的讲稿,那篇讲稿是基于他的一篇论文:“Law without Law”,后来,此讲稿由科大的方励之编着,1982年出版,取名为《物理学和质朴性-没有定律的定律》。在讲稿中,惠勒提到他在1979年,为纪念爱因斯坦诞辰100周年的普林斯顿讨论会上,提出的所谓“延迟选择实验”(delayed choice experiment)。这个“延迟选择实验”,是我们讨论过的“电子双缝干涉”实验的一个令人吃惊的新版本。在新构想中,惠勒戏剧化地将实验稍加改变,便可以使得实验员能在电子已经通过双缝之后,作出“延迟决定”,从而改变电子通过双缝时的历史!这种十分怪异的,好像能从将来触摸到过去的说法,量子论的哥本哈根派又如何解释呢?这个实验彻底地挑战了经典物理的因果律。

惠勒曾经用一个龙图来说明这一点。这个龙图也可以用费曼的路径积分观点来理解:龙的头和尾巴对应于测量时的两个点,在这两点测量的数值是确定的。根据量子力学的路径积分解释,两点之间的关联可以用它们之间的所有路径贡献的总和来计算。因为要考虑所有的路径,因此,龙的身体就将是糊里糊涂的一片。

图片 1

哦,量子力学啊,我学过

十二个超导量子比特不纠缠

虽然,很惭愧,学得一塌糊涂

科学网发布了《12个超导量子比特的真纠缠首次制备并验证》一文:近日,《物理评论快报》在同一期以“编辑推荐”的形式发表了中国科大潘建伟团队在基于光和超导量子体系纠缠态制备方面的两项实验成果:实现了综合性能最优的量子点确定性纠缠光源和国际上最大规模超导量子比特纠缠态12比特“簇态”的制备。

全部收获,就是一些模糊的概念

量子点纠缠光源:

唯有量子纠缠,貌似颇有心得

Physics精选报道:

处于纠缠状态的两个量子

12个超导量子比特纠缠态:

无论相距多远,都能同时同步

在详细研读了文章后面的论文连接后,我认为十二个超导量子比特不是真纠缠,只是光子的干涉。

就像一个是另一个的镜像

要分析这个实验,需要将脉冲的尺度拉开,在飞秒fs尺度下看光子脉冲,光子脉冲应该是一个有一定时间宽度的脉冲,在这个脉冲中,有较多光子(大约10^6个光子)组成一个平波波形。实验中,光子经过槽振荡一次,其相位差变化约数个50多度的,这就相当于有了时间相位不同的光子信号源。

一个向左,同时另一个也向左

当单脉冲时,由于在各个方向的激荡相位都相同,也就是发射的光子虽有时间相移,但无空间相位,所以在空间不同点看每一个脉冲的波形都一致(可参考论文链接的Figure2。

于是我知道,除了此一世界

在干涉实验的必要条件中,光子还需要有空间相位。在这个实验中,当双脉冲时,由于光子脉冲的频差,沿圆周方向会形成光子团,这个光子团的包络线呈涡旋结构,并且沿圆周不断运动(是光子团包络线运动,不是光子运动,并且沿圆周运动不是干涉的要件)。这样这些光子团就形成空间相位,这就满足在空间形成光波干涉的要件,才能形成Figure3中的图。

还有一个相对应的彼世界

这个实验的不足之处是,光子相位偏转一周的时间是飞秒fs级,光子团的包络线变化时间为数飞秒fs级别,而计数器以及控制逻辑门的精度是纳秒ns级,仪器设备的精度明显不足。这就导致采集的信号有随机性。