今年諾獎(jiǎng)的量子物理,其應(yīng)用早已觸及IoT
今年諾獎(jiǎng)的量子物理,其應(yīng)用早已觸及IoT 2022-10-13 08:50:07 今年諾獎(jiǎng)的量子物理,其應(yīng)用早已觸及IoT 0

文章轉(zhuǎn)載來(lái)源物聯(lián)網(wǎng)世界 >>物聯(lián)傳媒

近日,2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者正式揭曉,獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e為法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)、美國(guó)理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤(JohnF. Clauser)和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格(Anton Zeilinger).


image.png


2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?/strong>

乘著近年來(lái)火爆的量子力學(xué)大風(fēng),今年物理學(xué)諾獎(jiǎng)的頒布也成了大眾關(guān)注的熱點(diǎn)。不過(guò),量子物理其實(shí)早已應(yīng)用在了人們生活的各個(gè)方面。只是在介紹這些應(yīng)用之前,還需先簡(jiǎn)單了解什么是量子物理。而要說(shuō)清楚這一問(wèn)題,還得從愛(ài)因斯坦那句“上帝不會(huì)擲骰子”說(shuō)起。

因果論和隨機(jī)性

量子物理史上的三次論戰(zhàn)

“上帝不會(huì)擲骰子”來(lái)自于愛(ài)因斯坦同玻爾的辯論中。當(dāng)時(shí),以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為,在量子力學(xué)中存在不確定性原理,也即“粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定”。(玻爾是1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,提出了互補(bǔ)原理)

而這點(diǎn)讓愛(ài)因斯坦很疑惑,他表示不認(rèn)同玻爾的物理哲學(xué)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為,物理就是通過(guò)找出與因果相關(guān)的變量,來(lái)量化自然里的事物,一切未被解釋或定性的,只是沒(méi)有確定某個(gè)變量。于是愛(ài)因斯坦堅(jiān)信因果論,不承認(rèn)自然界存在隨機(jī)性,更別說(shuō)不確定性原理。


image.png


愛(ài)因斯坦與玻爾

相反地,玻爾很堅(jiān)持自己學(xué)派的理論,承認(rèn)這種隨機(jī)性。(哥本哈根學(xué)派包括玻爾、海森堡、泡利和玻恩等物理學(xué)家)

波函數(shù)的概率詮釋中,哥本哈根學(xué)派認(rèn)為,量子力學(xué)必須放棄傳統(tǒng)力學(xué)的因果律和決定論,而把概率看作本質(zhì)。

海森堡提出的不確定性原理中,海森堡認(rèn)為,在用宏觀儀器觀測(cè)微觀粒子時(shí),觀測(cè)這個(gè)動(dòng)作即對(duì)微觀粒子造成了干擾,如同盲人想知道雪花的形狀和構(gòu)造那樣。(在量子物理的測(cè)量中,即增加位置的確定性,便降低了動(dòng)量的確定性,在時(shí)間和能量上也適用)

玻爾提出的互補(bǔ)原理中,對(duì)不確定性原理進(jìn)行了補(bǔ)充,玻爾表示,微觀粒子具有波粒二象性,即粒子和波兩種圖像不能同時(shí)存在。但為提供完整的描述,又必須將這兩種圖像結(jié)合互補(bǔ)。(波粒二象性,如一條來(lái)回奔跑的狗可以被描述跑的路線,也可以被描述在某一位置的靜止?fàn)顟B(tài),但兩種描述不能同時(shí)存在)

但愛(ài)因斯坦認(rèn)為,如果承認(rèn)隨機(jī)性、摒棄因果論,如果量子力學(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上,那理論便限制了人能觀察到的東西,那物理研究的意義何在,所以表明立場(chǎng)——量子力學(xué)不具有完備性

之后,也就爆發(fā)了物理學(xué)史上最精彩的幾次論戰(zhàn)。畢竟愛(ài)因斯坦對(duì)概率性和不確定性早已不滿。


image.png


索爾維會(huì)議

第一次論戰(zhàn)

在1927年的第五屆索爾維會(huì)議上,愛(ài)因斯坦發(fā)起了第一次進(jìn)攻——針對(duì)位置動(dòng)量。他設(shè)計(jì)了雙縫干涉理想實(shí)驗(yàn),通過(guò)控制電子槍使電子逐個(gè)發(fā)射,屏上的顯示即為電子的位置,而關(guān)閉一個(gè)縫隙,即可知道電子從哪個(gè)縫出來(lái),從而測(cè)出其路徑。由于干涉條紋可以計(jì)算電子波的波長(zhǎng),所以可以算出電子的動(dòng)量,于是動(dòng)量和位置同時(shí)可知,不確定性被推翻。

玻爾思考良久反駁道,如果關(guān)閉了其中任何一個(gè)縫,雙縫的干涉現(xiàn)象便不復(fù)存在,實(shí)驗(yàn)又回到了單縫狀態(tài)。更重要的是,電子行為依賴于壁障上是否有多的狹縫,即依賴于我們對(duì)實(shí)驗(yàn)的安排。于是,愛(ài)因斯坦的理想實(shí)驗(yàn)進(jìn)攻失敗,還成了用互補(bǔ)原理證明波粒二象性的例子。

第二次論戰(zhàn)

在1930年的第六屆索爾維會(huì)議上,愛(ài)因斯坦發(fā)起了第二次進(jìn)攻——針對(duì)時(shí)間能量。他設(shè)計(jì)了一個(gè)理想光子箱,里面裝著光和鐘表,在某一特定時(shí)間讓一粒光子從箱子的小縫飛出,然后稱得箱子的質(zhì)量改變情況(由于光再小也具有有效質(zhì)量)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程,即可測(cè)出能量變化,同時(shí)在鐘表計(jì)時(shí)的情況下,時(shí)間也得到了測(cè)量,不確定性再被推翻。

玻爾聽(tīng)完此實(shí)驗(yàn)面色蒼白,不過(guò)在一晚上的思考之后,他作出了漂亮的回答。由于光子箱是由彈簧秤測(cè)量,而當(dāng)光子飛出引起箱子質(zhì)量變化時(shí),箱子也必將沿重力方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)即使質(zhì)量測(cè)量準(zhǔn)確,但由于箱子在重力場(chǎng)發(fā)生了位置變化,箱內(nèi)鐘表的快慢也將因廣義相對(duì)論的紅移效應(yīng)而改變,從而使得時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生一個(gè)不確定量,于是時(shí)間的測(cè)量仍不夠準(zhǔn)確。

于是,第二次論戰(zhàn)中,愛(ài)因斯坦再敗,但他很滿意玻爾的解釋。

第三次論戰(zhàn)

在這之后,愛(ài)因斯坦并未放棄,仍堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)不夠完備。于是便在1935年聯(lián)合波多爾斯基、羅森發(fā)布了著名的EPR悖論,這次愛(ài)因斯坦引用了量子力學(xué)的“全同粒子”概念,再次向不確定性原理發(fā)起了進(jìn)攻。(全同粒子是指處于一個(gè)原子內(nèi)部的兩個(gè)電子,在脫離原子成為獨(dú)立電子后,還能具有完全相同的屬性)

愛(ài)因斯坦假設(shè),全同粒子A和B沿反方向飛去,根據(jù)動(dòng)量守恒,A和B動(dòng)量必定相反,A飛了多遠(yuǎn)B也一樣。于是此時(shí)測(cè)量A的動(dòng)量,便可得B的動(dòng)量,此時(shí)測(cè)量B的位置,也能求出A的位置。如此每個(gè)粒子都只測(cè)了一次,卻知道了它們的動(dòng)量和位置信息,又一次推翻了不確定性原理。

這一次,玻爾回答說(shuō),A和B應(yīng)該算作一個(gè)量子系統(tǒng),用同一個(gè)波函數(shù)表示,當(dāng)你測(cè)量A的動(dòng)量時(shí),其實(shí)就已經(jīng)破壞了B的位置信息,反之亦然。這兩個(gè)粒子雖然分開(kāi),但處于某種“糾纏狀態(tài)”。

愛(ài)因斯坦這次可不買(mǎi)賬,他拿出了相對(duì)論來(lái)反駁:這兩個(gè)粒子可以相距幾十光年,那它們還會(huì)相互影響嗎?難道說(shuō)它們之間存在超光速的超距作用(也稱為非定域性,即超越時(shí)空瞬間地作用和傳播)?玻爾直到去世也沒(méi)給出直接回答。


image.png


量子糾纏

后來(lái),愛(ài)因斯坦引入了量子糾纏的概念,也就是說(shuō),不確定性原理之所以成立,是因?yàn)榱孔又g存在超光速的糾纏效應(yīng)。而這個(gè)糾纏效應(yīng)用因果論的話來(lái)說(shuō),就是一個(gè)隱變量,如果能準(zhǔn)確找出并定性該隱變量,就能準(zhǔn)確地同時(shí)測(cè)算出位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量,也就不會(huì)出現(xiàn)不確定性。

關(guān)于這個(gè)隱變量,玻爾不承認(rèn)它的存在,而且后續(xù)也不再有針尖對(duì)麥芒的論戰(zhàn),大家都在“各說(shuō)各的”。于是當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)氛圍變成——要么選擇相信隨機(jī)性,跟隨哥本哈根學(xué)派;要么去找出愛(ài)因斯坦都找不出的隱變量。因此,量子力學(xué)的研究停滯不前。

直到貝爾實(shí)驗(yàn)和貝爾不等式的出現(xiàn),終于在隱變量這朵大烏云下,讓量子力學(xué)重新看到了曙光。

愛(ài)因斯坦頭號(hào)迷弟的成就

竟是證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了

根據(jù)本次諾獎(jiǎng)官方通稿表示,“此獎(jiǎng)為表彰他們?cè)诹孔有畔⒖茖W(xué)研究方面作出的貢獻(xiàn)。他們通過(guò)光子糾纏實(shí)驗(yàn),確定貝爾不等式在量子世界中不成立。并開(kāi)創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。

不過(guò),貝爾是誰(shuí)?什么是貝爾實(shí)驗(yàn)和貝爾不等式?


image.png


貝爾與貝爾不等式

約翰·斯圖爾特·貝爾同樣是一名物理學(xué)家,只不過(guò)生得比較晚,在愛(ài)因斯坦和玻爾論戰(zhàn)之時(shí),貝爾才不到十歲。但他后來(lái)是愛(ài)因斯坦的忠實(shí)追隨者,為證明EPR佯謬的正確性,他在1964年提出了著名的貝爾不等式,以巧奪天工的邏輯,找出了隱變量存在的證據(jù)。

貝爾不等式涉及到三維空間內(nèi)的粒子自旋運(yùn)動(dòng),解釋起來(lái)比較麻煩。筆者在網(wǎng)上找到一個(gè)容易理解的類(lèi)比式版本,可以輕松讀懂貝爾實(shí)驗(yàn)的內(nèi)核。

首先,將粒子發(fā)射器比作房子,左右兩扇門(mén)比作發(fā)射口,粒子比作人,粒子的屬性為人的性別。最初,一個(gè)房間左右兩扇門(mén),隔一定時(shí)間,每一扇門(mén)分別走出一男或一女。A記錄左門(mén),B記錄右門(mén),結(jié)果證明一個(gè)規(guī)律,左右門(mén)走出男女情況一定相反


image.png


AB記錄房子里走出的男女示意圖1

之后加入變量,A保持面對(duì)左門(mén)記錄,B背對(duì)右門(mén)等人出來(lái)之后再記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn),他們所記錄的情況出現(xiàn)了1%的誤差。于是規(guī)律改變:當(dāng)A或B背對(duì)門(mén)記錄時(shí)(觀測(cè)方法改變時(shí)),左右門(mén)走出來(lái)的男女情況有1%的概率相同,這同時(shí)證明每一對(duì)走出來(lái)的人存在交流(即存在量子糾纏)。


image.png


AB記錄房子里走出的男女示意圖2

之后再加入變量,A、B同時(shí)背對(duì)門(mén)等人出來(lái)后記錄,于是按照過(guò)往規(guī)律,誤差將≤2%。若誤差情況在預(yù)計(jì)中,即證明隱變量存在且可控,愛(ài)因斯坦正確。但如果誤差>2%,即證明玻爾正確,量子力學(xué)存在不確定性。


image.png


AB記錄房子里走出的男女示意圖3

但實(shí)驗(yàn)并未完成,因?yàn)楫?dāng)時(shí)配置不夠,貝爾以理論推導(dǎo)出貝爾不等式,認(rèn)定此誤差≤2%,證明愛(ài)因斯坦的理論正確

不過(guò)隨著時(shí)代發(fā)展,配置逐漸齊全,后人(也即近日斬獲諾獎(jiǎng)的三人)仍在不斷進(jìn)行貝爾的實(shí)驗(yàn),只是后來(lái)的結(jié)果卻與貝爾不等式相悖。也即是說(shuō),前文提到的誤差,在后來(lái)克勞澤的實(shí)驗(yàn)中大到令人難以置信,貝爾不等式也被證明在量子世界中不成立。

而由此可推出那場(chǎng)物理界大型論戰(zhàn)的結(jié)果——愛(ài)因斯坦錯(cuò)了,玻爾是對(duì)的。

但這不是最終結(jié)論,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)仍在繼續(xù),物理學(xué)家們想搞清楚誤差是怎么出現(xiàn)的。于是在阿斯頓的實(shí)驗(yàn)里,他設(shè)計(jì)了超長(zhǎng)的距離?;氐街暗念?lèi)比,他想知道——房間走出來(lái)的那對(duì)人,其性別是取決于AB的觀測(cè)方法;還是說(shuō)人出來(lái)時(shí)沒(méi)有性別,是雙方聯(lián)系后才決定各自性別的。

也就是想知道,被發(fā)射粒子的屬性是與生俱來(lái)的;還是說(shuō)粒子出來(lái)時(shí)不具備屬性,而是會(huì)相互聯(lián)系并判斷觀測(cè)者的觀測(cè)方法,來(lái)決定自己呈現(xiàn)什么樣的屬性。

結(jié)果令人大吃一驚。第一是粒子出現(xiàn)時(shí)不具備屬性,攜帶什么樣的屬性的確是取決于觀測(cè)者的觀測(cè)方法;第二是粒子間的確存在相互聯(lián)系,而且由于實(shí)驗(yàn)中成對(duì)的粒子距離足夠遠(yuǎn),消息的交互早已超過(guò)了光速,這點(diǎn)證明了超距作用的存在,也即量子糾纏的確存在。

這是一個(gè)令不少人三觀崩塌的結(jié)論。也就是照此邏輯,在量子世界里,各粒子都不自帶屬性,所謂的“客觀存在”也不成立?我們?nèi)绾斡^測(cè)它,它就如何呈現(xiàn)自己的屬性,那量子世界完全由我們的主觀構(gòu)成嗎?

這點(diǎn)或許得相當(dāng)專(zhuān)業(yè)的人士才能解答。不過(guò)筆者還知道一些,關(guān)于量子物理在現(xiàn)今和未來(lái)有什么用。

量子應(yīng)用多點(diǎn)開(kāi)花

物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已開(kāi)始試點(diǎn)

就目前的發(fā)展來(lái)看,量子技術(shù)將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生不少積極影響,包括對(duì)計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)延遲、互操作性、實(shí)時(shí)分析等功能的優(yōu)化,同時(shí)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力,為云計(jì)算提供安全保障。另一方面,在新興的5G電信基礎(chǔ)設(shè)施中,量子加密將是提高IoT連接量增速的解決方案。

量子物聯(lián)網(wǎng)還可以提升數(shù)據(jù)流的可操作性,將來(lái)自不同邊緣的數(shù)據(jù)流(從產(chǎn)品線上的裝備到消費(fèi)品中的傳感器)結(jié)合至AI中,可以有效改變?nèi)藗児ぷ鳌⑸詈蛫蕵?lè)的方式。由于同傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的01編碼不同,量子編碼的三維復(fù)數(shù)形式將徹底改變開(kāi)發(fā)環(huán)境,但并不影響物聯(lián)網(wǎng)的定義,反而加速了物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。

最重要的是,量子計(jì)算出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,即可讓所有電子設(shè)備均能在互聯(lián)網(wǎng)上完成尋址。

今年年初,量子物理已應(yīng)用在燃?xì)獗砩稀?jù)悉,國(guó)內(nèi)首批“量子安全智能燃?xì)獗怼币呀?jīng)在合肥開(kāi)始試點(diǎn),開(kāi)展基于量子安全技術(shù)的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗?/strong>的研發(fā)和示范應(yīng)用。目前初定的目標(biāo)是改造換表20萬(wàn)塊,新增物聯(lián)網(wǎng)表8萬(wàn)塊。其中通信技術(shù)利用量子密鑰加密,可實(shí)現(xiàn)保密安全通信,保障燃?xì)庥脩舻臄?shù)據(jù)信息安全。


image.png


量子燃?xì)獗?/strong>

同時(shí),合肥已開(kāi)通量子城域網(wǎng)。該項(xiàng)目是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、用戶最多、應(yīng)用最全的量子保密通信城域網(wǎng);該網(wǎng)絡(luò)含8個(gè)核心節(jié)點(diǎn)和159個(gè)接入節(jié)點(diǎn),量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)光纖全長(zhǎng)1147公里,可為市、區(qū)兩級(jí)黨政機(jī)關(guān)提供量子安全接入服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸加密服務(wù),提升電子政務(wù)安全防護(hù)水平。

不僅如此,在通信領(lǐng)域,今年五月中國(guó)電信發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款基于量子信息技術(shù)的VoLTE加密通話產(chǎn)品――天翼量子高清密話。同時(shí)發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款搭載量子安全通話產(chǎn)品的手機(jī)天翼1號(hào)2022,該產(chǎn)品采用國(guó)產(chǎn)定制手機(jī)、量子安全SIM卡和國(guó)密算法“三重保護(hù)”,為用戶提供“管-端-芯”一體化安全防護(hù),帶來(lái)保密通信創(chuàng)新應(yīng)用。

除此之外,作為新型安全加密工具,后量子密碼量子密鑰已受到軍事物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注。后量子密碼不能被量子計(jì)算機(jī)攻破,目前美國(guó)已在布局。而量子密鑰分發(fā)則在歐盟受眾更多,其允許在數(shù)學(xué)上證明安全性的情況下進(jìn)行安全的加密密鑰交換。

在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè),大部分技術(shù)都最先作用于軍事(比如通信類(lèi)的藍(lán)牙和UWB等),于是也能據(jù)此判斷未來(lái)消費(fèi)端的趨勢(shì)。在未來(lái),量子物聯(lián)網(wǎng)也將成為某個(gè)時(shí)代的主旋律。

結(jié)語(yǔ)

回到文章開(kāi)頭因果論與隨機(jī)性的問(wèn)題上,結(jié)合物理學(xué)家們的爭(zhēng)論不難發(fā)現(xiàn),物理問(wèn)題早已變成了哲學(xué)問(wèn)題,也因此得不到完美的答案。

但通過(guò)結(jié)論可以確定,我們已無(wú)法再用現(xiàn)實(shí)世界的標(biāo)準(zhǔn)去看待量子世界。愛(ài)因斯坦想通過(guò)因果關(guān)系理順量子物理的邏輯,結(jié)果量子并不自帶屬性,無(wú)法被定義因果;玻爾想通過(guò)承認(rèn)隨機(jī)性來(lái)理解量子物理,結(jié)果量子卻不表現(xiàn)出隨機(jī),只是隨觀測(cè)方法而變化。

隨著本次諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C布,一方面記錄了物理學(xué)家們的貢獻(xiàn),更是為量子世界打開(kāi)了新的大門(mén),不難得知,以后還將出現(xiàn)更多刷新我們的世界觀的理論出現(xiàn)。

另一方面,隨著量子逐漸被理解和開(kāi)發(fā),人們也將更多地接觸并運(yùn)用它,只是在未來(lái),仍有頗多未知和挑戰(zhàn)在等待著我們。


推薦文章欄目:
客服
客服
電話
電話
4000-780-190
樣機(jī)申請(qǐng)
樣機(jī)申請(qǐng)
0
頂部
頂部