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中国科学家错失今年诺贝尔物理学奖,中国在量子通讯领域有多牛?

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2022年的诺贝尔物理学奖在10月4日正式揭晓了。今年的诺贝尔物理学奖被授予给了法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽、奥地利量子论物理学家安东·蔡林格,以表彰他们在量子纠缠上的贡献。很遗憾,今年的诺贝尔物理学奖没有授予给中国的科学家,但其实中国科学家在该领域做出了非常巨大的贡献。某种意义上讲,正是中国在该领域的成就,推动了量子纠缠在今年获得诺奖。

什么是量子纠缠呢?在原子尺度甚至更小尺度下,微观世界的运行规律和我们宏观世界非常不一样,那个世界的物理现象有时连爱因斯坦都觉得不可思议。量子纠缠无疑是其中最令人觉得不可思议的现象。

让我们尝试用最通俗的语言来介绍一下什么是量子纠缠吧。假如房间里有一只红苹果,当我们站在房间里看这只苹果的时候,它是红色的。如果我们走出房间后,这只苹果还是红色的吗?毫无疑问,在我们所熟悉的世界里,这只苹果仍然会是红色的,它并不会因为旁边是否有人在观察它而改变颜色。

但在量子世界里,一个物体的状态却会因为是否有人观测而发生改变。简单来说,就是这只红苹果在有人看的时候是红色的,而在没人看的时候它就会突然变绿。这真的是太奇妙了。

在量子世界里,更奇妙的现象还不止于此。假如我有一只红苹果和一只绿苹果,当这两只苹果处于量子纠缠的状态之后,一只苹果的颜色改变,会使得另一只苹果的颜色也发生改变。例如我如果让一只红苹果变绿之后,另一只处于量子纠缠状态的青苹果,就仿佛有了心灵感应,也会瞬间变红。更专业的说法是,对于一对处于量子纠缠状态的粒子,一个粒子状态的改变,会瞬间导致另一个粒子的状态改变。

令爱因斯坦都觉得不可思议的是,即使两个苹果相距十万八千里,只要它们仍然处于量子纠缠状态,其中一个苹果变色,另一个苹果也会在瞬间变色。两个苹果的变色是在同一时间瞬间完成的。这种神奇的现象就是量子纠缠。

量子纠缠有什么用呢?它最大的用途就是可以用来传递信息。比如说,如果我在火星上放一只绿苹果,地球上放一只红苹果。只要我们将地球上的红苹果变绿,那么火星人就能瞬间看到绿苹果变红,于是就能接收到来自我们地球的信号了。

用量子纠缠原理来传递信息有两个厉害之处:第一,无论两个苹果相隔多远,信息的传递都是在瞬间完成的,速度非常快,这是我们未来进行星际通讯的最佳方式;第二,由于信息传递过程中没有物质的传递,所以量子通信理论上来讲是永远不会被截获的,保密性极高,其军事价值自然不言而喻。

虽然量子通讯十分诱人,但其实现条件异常苛刻,其最核心的问题就是如何能让两只苹果即使相距很远,仍然能处于量子纠缠的状态。过往国外关于量子通讯的研究一直都只是小打小闹,能够实现几公里的通讯距离都是巨大的科学进展了。说句不好听的,几公里的通讯距离都够干些啥啊!

因此尽管量子通信的概念被提出了几十年,但量子纠缠到底能不能真正实现远距离通信,学术界也一直吃不准,所以诺贝尔奖也一直不敢颁发给该领域。量子通信真正要走向应用,还得靠中国人。

说起量子通信的实际应用,绕不开一个中国科学家——潘建伟院士。潘建伟院士是本次诺奖得主安东·蔡林格的学生。潘建伟院士一直致力于将量子纠缠应用于真正的通信。2005年,潘建伟院士就成功利用量子纠缠实现了13公里的通信。2016年,在潘建伟院士的主持下,中国发射了世界上第一颗量子通信卫星——墨子号。

经过了多年的努力,2022年5月,墨子号卫星首次实现了1200公里的通讯。这是人类历史上第一次将量子纠缠真正用于超远距离的通讯,它彻底地证实了量子纠缠在通讯中应用的可能,而潘建伟院士也一度被认为是诺奖的热门候选人。

或许正是看到了量子通信在墨子号上的成功,仅仅5个月后的今天,诺贝尔物理学奖便颁发给了该领域。不过遗憾的是,此前呼声很高的潘建伟院士却没能获奖。看到中国在量子通信领域取得的巨大成功之后,欧美等发达国家也开始纷纷加大了对量子通信的支持力度,但中国已经在该领域稳稳地走在了世界前列。

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