量子知识科普

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量子力学越来越「鬼异」了弗拉尔

一项国际合作和最近发表的论文有可能解决了百年的物理学争论。

量子力学很鬼异。量子力学里的“纠缠

(Entanglement)”，这是量子力学的一个部分，这概念告诉我们两个粒子可以跨越长距离直接连接。如果你测量一个粒子的自旋，你马上就能知道其相对应的自旋。物理学家认为这样的现象非常鬼异，因为它和我们日常逻辑概念不相符。常识告诉我们横跨宇宙间的物质是不可能直接连接的，但在量子空间中却是可行的。量子力学也说，这些粒子只有在被观察下才有固定的特性。

部分物理学家如爱因斯坦却反对这样的概念，因为它违背了现实世界的本质。 1930年代当量子力学才刚兴起时，爱因斯坦是“定域隐变数理论(local realism )”的拥护者，主张只有相近的物体可以相互影响。爱因斯坦和其他物理学家提出“隐变数理论(hidden variables theory )” 来解释这鬼异的行为。他们认为世人对量子力学的知识是不完整，而且可能存在着我们未知的隐藏变数。

1960年代一位名叫约翰贝尔(John Bell)的物理学家提出一个称为“不等式(inequality )”的数学运算式来测试这些所谓的隐藏变数。他认为如果这些隐藏变数确实存在，则会限制这些粒子的连结。如果连结程度超过预设值，那么这些隐藏变数将不存在。然而这个我们称为“贝尔不等式”的实验并不完全否定“定域隐变数理论”。这个实验采用有可能会在测试中迷失方向的纠缠光子，而且实验者可能也无法侦测到所有产生的光子。

由荷兰台夫特科技大学(DelftUniversity)韩森教授(Professor Ronald Hanson)所领导的新一代实验，有两位我们姑且称为Alice和Bob的研究员身处于两个距离1.3公里的实验室。每个实验室都有一个钻石晶片，晶片中有一个因自旋而和光子纠缠的电子。这些光子被送到配备有抵达时间探测器、介于Alice 和Bob之间的第三个实验室里。如果两个光子同时抵达的话，那么他们就会纠缠在一起，而电子也会因此纠缠。

这个实验持续了9天。在那段时间，研究人员记录了245次成功的纠缠。虽然过去数十年的其他实验也证实了贝尔的限制，但这个新实验从过去的缺点吸取经验来克服实验陷阱。先前的实验所使用的探测器数量不足，只能侦测到少数通过的粒子。新近的实验采用近乎完美的探测器，但这些纠缠的粒子间的距离近到有沟通的可能性。在新的实验中，研究小组使用高品质探测器，在电子还来不及互相沟通讯息以前收集测量，有史以来第一次将两种漏洞关闭。

这次的实验结果对量子密码学带来重大影响，这意味着纠缠下的光子将可以产生安全的加密金钥。把这些漏洞关闭将使电脑系统可以成功侦测是否有人试图拦截这些金钥，因为试图破坏纠缠将会触发警报。