今年诺奖的量子物理,其应用早已触及IoT
作者 | 物联传媒2022-10-16

乘着近年来火爆的量子力学大风,今年物理学诺奖的颁布也成了大众关注的热点。不过,量子物理其实早已应用在了人们生活的各个方面。

智次方

近日,2022年诺贝尔物理学奖获得者正式揭晓,获奖者分别为法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(JohnF. Clauser)和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger).

2022年诺贝尔物理学奖获奖者

2022年诺贝尔物理学奖获奖者

乘着近年来火爆的量子力学大风,今年物理学诺奖的颁布也成了大众关注的热点。不过,量子物理其实早已应用在了人们生活的各个方面。只是在介绍这些应用之前,还需先简单了解什么是量子物理。而要说清楚这一问题,还得从爱因斯坦那句“上帝不会掷骰子”说起。

因果论和随机性

量子物理史上的三次论战

“上帝不会掷骰子”来自于爱因斯坦同玻尔的辩论中。当时,以玻尔为首的哥本哈根学派认为,在量子力学中存在不确定性原理,也即“粒子的位置与动量不可同时被确定”。(玻尔是1922年诺贝尔物理学奖获得者,提出了互补原理)

而这点让爱因斯坦很疑惑,他表示不认同玻尔的物理哲学。爱因斯坦认为,物理就是通过找出与因果相关的变量,来量化自然里的事物,一切未被解释或定性的,只是没有确定某个变量。于是爱因斯坦坚信因果论,不承认自然界存在随机性,更别说不确定性原理。

爱因斯坦与玻尔

爱因斯坦与玻尔

相反地,玻尔很坚持自己学派的理论,承认这种随机性。(哥本哈根学派包括玻尔、海森堡、泡利和玻恩等物理学家)

在波函数的概率诠释中,哥本哈根学派认为,量子力学必须放弃传统力学的因果律和决定论,而把概率看作本质。

在海森堡提出的不确定性原理中,海森堡认为,在用宏观仪器观测微观粒子时,观测这个动作即对微观粒子造成了干扰,如同盲人想知道雪花的形状和构造那样。(在量子物理的测量中,即增加位置的确定性,便降低了动量的确定性,在时间和能量上也适用)

在玻尔提出的互补原理中,对不确定性原理进行了补充,玻尔表示,微观粒子具有波粒二象性,即粒子和波两种图像不能同时存在。但为提供完整的描述,又必须将这两种图像结合互补。(波粒二象性,如一条来回奔跑的狗可以被描述跑的路线,也可以被描述在某一位置的静止状态,但两种描述不能同时存在)

但爱因斯坦认为,如果承认随机性、摒弃因果论,如果量子力学仅可建立在可观察量的基础上,那理论便限制了人能观察到的东西,那物理研究的意义何在,所以表明立场——量子力学不具有完备性。

之后,也就爆发了物理学史上最精彩的几次论战。毕竟爱因斯坦对概率性和不确定性早已不满。

索尔维会议

索尔维会议

  • 第一次论战

在1927年的第五届索尔维会议上,爱因斯坦发起了第一次进攻——针对位置与动量。他设计了双缝干涉理想实验,通过控制电子枪使电子逐个发射,屏上的显示即为电子的位置,而关闭一个缝隙,即可知道电子从哪个缝出来,从而测出其路径。由于干涉条纹可以计算电子波的波长,所以可以算出电子的动量,于是动量和位置同时可知,不确定性被推翻。

玻尔思考良久反驳道,如果关闭了其中任何一个缝,双缝的干涉现象便不复存在,实验又回到了单缝状态。更重要的是,电子行为依赖于壁障上是否有多的狭缝,即依赖于我们对实验的安排。于是,爱因斯坦的理想实验进攻失败,还成了用互补原理证明波粒二象性的例子。

  • 第二次论战

在1930年的第六届索尔维会议上,爱因斯坦发起了第二次进攻——针对时间和能量。他设计了一个理想光子箱,里面装着光和钟表,在某一特定时间让一粒光子从箱子的小缝飞出,然后称得箱子的质量改变情况(由于光再小也具有有效质量)。根据爱因斯坦的质能方程,即可测出能量变化,同时在钟表计时的情况下,时间也得到了测量,不确定性再被推翻。

玻尔听完此实验面色苍白,不过在一晚上的思考之后,他作出了漂亮的回答。由于光子箱是由弹簧秤测量,而当光子飞出引起箱子质量变化时,箱子也必将沿重力方向运动。此时即使质量测量准确,但由于箱子在重力场发生了位置变化,箱内钟表的快慢也将因广义相对论的红移效应而改变,从而使得时间的测量产生一个不确定量,于是时间的测量仍不够准确。

于是,第二次论战中,爱因斯坦再败,但他很满意玻尔的解释。

  • 第三次论战

在这之后,爱因斯坦并未放弃,仍坚持认为量子力学不够完备。于是便在1935年联合波多尔斯基、罗森发布了著名的EPR悖论,这次爱因斯坦引用了量子力学的“全同粒子”概念,再次向不确定性原理发起了进攻。(全同粒子是指处于一个原子内部的两个电子,在脱离原子成为独立电子后,还能具有完全相同的属性)

爱因斯坦假设,全同粒子A和B沿反方向飞去,根据动量守恒,A和B动量必定相反,A飞了多远B也一样。于是此时测量A的动量,便可得B的动量,此时测量B的位置,也能求出A的位置。如此每个粒子都只测了一次,却知道了它们的动量和位置信息,又一次推翻了不确定性原理。

这一次,玻尔回答说,A和B应该算作一个量子系统,用同一个波函数表示,当你测量A的动量时,其实就已经破坏了B的位置信息,反之亦然。这两个粒子虽然分开,但处于某种“纠缠状态”。

爱因斯坦这次可不买账,他拿出了相对论来反驳:这两个粒子可以相距几十光年,那它们还会相互影响吗?难道说它们之间存在超光速的超距作用(也称为非定域性,即超越时空瞬间地作用和传播)?玻尔直到去世也没给出直接回答。

量子纠缠

量子纠缠

后来,爱因斯坦引入了量子纠缠的概念,也就是说,不确定性原理之所以成立,是因为量子之间存在超光速的纠缠效应。而这个纠缠效应用因果论的话来说,就是一个隐变量,如果能准确找出并定性该隐变量,就能准确地同时测算出位置和动量、时间和能量,也就不会出现不确定性。

关于这个隐变量,玻尔不承认它的存在,而且后续也不再有针尖对麦芒的论战,大家都在“各说各的”。于是当时的学术氛围变成——要么选择相信随机性,跟随哥本哈根学派;要么去找出爱因斯坦都找不出的隐变量。因此,量子力学的研究停滞不前。

直到贝尔实验和贝尔不等式的出现,终于在隐变量这朵大乌云下,让量子力学重新看到了曙光。

爱因斯坦头号迷弟的成就

竟是证明爱因斯坦错了

根据本次诺奖官方通稿表示,“此奖为表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立。并开创了量子信息这一学科。”

不过,贝尔是谁?什么是贝尔实验和贝尔不等式?

贝尔与贝尔不等式

贝尔与贝尔不等式

约翰·斯图尔特·贝尔同样是一名物理学家,只不过生得比较晚,在爱因斯坦和玻尔论战之时,贝尔才不到十岁。但他后来是爱因斯坦的忠实追随者,为证明EPR佯谬的正确性,他在1964年提出了著名的贝尔不等式,以巧夺天工的逻辑,找出了隐变量存在的证据。

贝尔不等式涉及到三维空间内的粒子自旋运动,解释起来比较麻烦。笔者在网上找到一个容易理解的类比式版本,可以轻松读懂贝尔实验的内核。

首先,将粒子发射器比作房子,左右两扇门比作发射口,粒子比作人,粒子的属性为人的性别。最初,一个房间左右两扇门,隔一定时间,每一扇门分别走出一男或一女。A记录左门,B记录右门,结果证明一个规律,左右门走出男女情况一定相反。

AB记录房子里走出的男女

AB记录房子里走出的男女示意图1

之后加入变量,A保持面对左门记录,B背对右门等人出来之后再记录。结果发现,他们所记录的情况出现了1%的误差。于是规律改变:当A或B背对门记录时(观测方法改变时),左右门走出来的男女情况有1%的概率相同,这同时证明每一对走出来的人存在交流(即存在量子纠缠)。

AB记录房子里走出的男女

AB记录房子里走出的男女示意图2

之后再加入变量,A、B同时背对门等人出来后记录,于是按照过往规律,误差将≤2%。若误差情况在预计中,即证明隐变量存在且可控,爱因斯坦正确。但如果误差>2%,即证明玻尔正确,量子力学存在不确定性。

AB记录房子里走出的男女

AB记录房子里走出的男女示意图3

但实验并未完成,因为当时配置不够,贝尔以理论推导出贝尔不等式,认定此误差≤2%,证明爱因斯坦的理论正确。

不过随着时代发展,配置逐渐齐全,后人(也即近日斩获诺奖的三人)仍在不断进行贝尔的实验,只是后来的结果却与贝尔不等式相悖。也即是说,前文提到的误差,在后来克劳泽的实验中大到令人难以置信,贝尔不等式也被证明在量子世界中不成立。

而由此可推出那场物理界大型论战的结果——爱因斯坦错了,玻尔是对的。

但这不是最终结论,因为实验仍在继续,物理学家们想搞清楚误差是怎么出现的。于是在阿斯顿的实验里,他设计了超长的距离。回到之前的类比,他想知道——房间走出来的那对人,其性别是取决于AB的观测方法;还是说人出来时没有性别,是双方联系后才决定各自性别的。

也就是想知道,被发射粒子的属性是与生俱来的;还是说粒子出来时不具备属性,而是会相互联系并判断观测者的观测方法,来决定自己呈现什么样的属性。

结果令人大吃一惊。第一是粒子出现时不具备属性,携带什么样的属性的确是取决于观测者的观测方法;第二是粒子间的确存在相互联系,而且由于实验中成对的粒子距离足够远,消息的交互早已超过了光速,这点证明了超距作用的存在,也即量子纠缠的确存在。

这是一个令不少人三观崩塌的结论。也就是照此逻辑,在量子世界里,各粒子都不自带属性,所谓的“客观存在”也不成立?我们如何观测它,它就如何呈现自己的属性,那量子世界完全由我们的主观构成吗?

这点或许得相当专业的人士才能解答。不过笔者还知道一些,关于量子物理在现今和未来有什么用。

量子应用多点开花

物联网领域已开始试点

就目前的发展来看,量子技术将对物联网产生不少积极影响,包括对计算能力、网络延迟、互操作性、实时分析等功能的优化,同时增加数据存储能力,为云计算提供安全保障。另一方面,在新兴的5G电信基础设施中,量子加密将是提高IoT连接量增速的解决方案。

量子物联网还可以提升数据流的可操作性,将来自不同边缘的数据流(从产品线上的装备到消费品中的传感器)结合至AI中,可以有效改变人们工作、生活和娱乐的方式。由于同传统计算机的01编码不同,量子编码的三维复数形式将彻底改变开发环境,但并不影响物联网的定义,反而加速了物联网的覆盖。

最重要的是,量子计算出现在物联网领域,即可让所有电子设备均能在互联网上完成寻址。

今年年初,量子物理已应用在燃气表上。据悉,国内首批“量子安全智能燃气表”已经在合肥开始试点,开展基于量子安全技术的NB-IoT物联网燃气表的研发和示范应用。目前初定的目标是改造换表20万块,新增物联网表8万块。其中通信技术利用量子密钥加密,可实现保密安全通信,保障燃气用户的数据信息安全。

量子燃气表

量子燃气表

同时,合肥已开通量子城域网。该项目是目前国内规模最大、用户最多、应用最全的量子保密通信城域网;该网络含8个核心节点和159个接入节点,量子密钥分发网络光纤全长1147公里,可为市、区两级党政机关提供量子安全接入服务和数据传输加密服务,提升电子政务安全防护水平。

不仅如此,在通信领域,今年五月中国电信发布了业内首款基于量子信息技术的VoLTE加密通话产品――天翼量子高清密话。同时发布了业内首款搭载量子安全通话产品的手机天翼1号2022,该产品采用国产定制手机、量子安全SIM卡和国密算法“三重保护”,为用户提供“管-端-芯”一体化安全防护,带来保密通信创新应用。

除此之外,作为新型安全加密工具,后量子密码和量子密钥已受到军事物联网重点关注。后量子密码不能被量子计算机攻破,目前美国已在布局。而量子密钥分发则在欧盟受众更多,其允许在数学上证明安全性的情况下进行安全的加密密钥交换。

在物联网行业,大部分技术都最先作用于军事(比如通信类的蓝牙和UWB等),于是也能据此判断未来消费端的趋势。在未来,量子物联网也将成为某个时代的主旋律。

结语

回到文章开头因果论与随机性的问题上,结合物理学家们的争论不难发现,物理问题早已变成了哲学问题,也因此得不到完美的答案。

但通过结论可以确定,我们已无法再用现实世界的标准去看待量子世界。爱因斯坦想通过因果关系理顺量子物理的逻辑,结果量子并不自带属性,无法被定义因果;玻尔想通过承认随机性来理解量子物理,结果量子却不表现出随机,只是随观测方法而变化。

随着本次诺贝尔奖颁布,一方面记录了物理学家们的贡献,更是为量子世界打开了新的大门,不难得知,以后还将出现更多刷新我们的世界观的理论出现。

另一方面,随着量子逐渐被理解和开发,人们也将更多地接触并运用它,只是在未来,仍有颇多未知和挑战在等待着我们。

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