物理群星
安东·蔡林格 肖像

图:Jaqueline Godany,2021 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

安东·蔡林格

Anton Zeilinger

1945–今 · 生于奥地利里德 · 奥地利

量子力学

把纠缠从「用来检验理论的现象」变成「可以拿来用的资源」

诺贝尔物理学奖 2022 用纠缠光子做实验,确证贝尔不等式被违反,并开创量子信息科学

「对我来说这始终只是好奇心。一直是好奇心,现在也还是。」

—— 2022 年诺贝尔奖官方电话采访,据英文原文译

克劳泽与阿斯佩回答的是同一个问题:世界是不是局域实在的。答案出来之后,剩下的问题变了——纠缠既然是真的,能拿它做什么?

蔡林格这一代人做的就是这件事。

从中子干涉到光子

他的起点不是光学。1971 年他在维也纳大学跟劳赫做博士,方向是中子干涉——把中子束分开再合拢,看它们的干涉条纹。那是当年少数几个能把量子力学的怪异之处直接摆上实验台的领域,而在 1970 年代初,这被看作「好奇心驱动」的边缘研究。

他后来说,正是劳赫在六十年代末、七十年代初的这份坚持鼓励了他。

1990 年到因斯布鲁克之后,他换用纠缠光子——参量下转换晶体产生的光子对,比钙原子级联辐射亮得多,也好控制得多。手艺的进步,让此前只能想想的实验一个个变得可做。

三件事

1997 年:量子隐形传态。 一个未知的量子态不能被复制,但可以被搬运:甲乙先共享一对纠缠光子,甲把待传的光子与自己那半做联合测量,再把两比特结果用普通信道发给乙。这篇《自然》论文的第二作者是他当时的博士生潘建伟。

1998 年:严格定域性下的贝尔实验。 阿斯佩 1982 年的切换是周期性的、距离只有 12 米。蔡林格小组把两端拉到 400 米,用真正的量子随机数发生器在光子飞行途中决定测量方向。这一次,贝尔当年最担心的那个前提被彻底守住了。

同年:纠缠交换。 两对分别纠缠的光子,各取一个送到中间做联合测量,剩下的两个光子——它们从未相互作用过——立刻纠缠起来。这不只是奇观:它正是量子中继器的原理,也是把量子网络从几十公里扩展到洲际尺度的唯一已知办法。

1999 年,他的小组做出了三光子 GHZ 态。GHZ 的妙处是不再需要不等式:三个粒子的完美关联本身就是局域实在论写不出来的,判决从统计变成了单次。

从实验室到卫星

2004 年,他的团队用量子密钥加密完成了一笔银行转账,地点在维也纳。2007 年,加那利群岛的两座岛之间,144 公里的自由空间链路上完成了基于纠缠的密钥分发。

再往后,主角换成了他的学生。潘建伟回国后主持的「墨子号」卫星 2016 年升空,2017 年在相距 1200 公里的两个地面站之间完成纠缠分发;同年 9 月,中奥两个团队用这颗卫星在北京与维也纳之间做了一次量子加密的视频通话。师生二人分别在通话的两端。

2022 年得奖那天,他在电话里特意提到两个人群:他的老师劳赫,以及先后跟他共事的一百五十多名学生。他说他做这些的理由从来只有一个——好奇。

代表方程

GHZ 态

∣GHZ⟩=12(∣↑↑↑⟩+∣↓↓↓⟩)|\mathrm{GHZ}\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(|{\uparrow\uparrow\uparrow}\rangle + |{\downarrow\downarrow\downarrow}\rangle\right)

三个粒子的纠缠态。它的厉害之处在于:只要测出其中两个的结果,第三个的结果就能百分之百确定地推出来——而这一组「完美关联」是任何局域隐变量理论都写不出来的。于是判决不再需要统计与不等式,一次测量的结果就能排除局域实在论。1989 年由格林伯格、霍恩与蔡林格提出,1999 年他的小组把三光子 GHZ 态真的做了出来。

量子隐形传态所需的资源

∣χ⟩A  → 1 对纠缠 + 2 比特经典信息   ∣χ⟩B|\chi\rangle_A \;\xrightarrow{\ \text{1 对纠缠} \,+\, \text{2 比特经典信息}\ }\; |\chi\rangle_B

一个未知的量子态没法被复制(复制定理禁止),但可以被「搬」过去:甲乙先共享一对纠缠粒子,甲把待传的粒子与自己那半做联合测量,再把两比特的测量结果用普通信道告诉乙,乙据此做一次操作,手上的粒子就变成了原来那个态——而甲手上的原件在测量中已被摧毁。经典信息必须走普通信道,所以并不超光速。

伟大发现