如何讓相距50千米的兩團原子,產生量子糾纏

以下文章來源於墨子沙龍 ，作者Sheldon

生活好了，人的要求也提高了。要是擱以前，「樓上樓下電燈電話」，做夢都要笑醒。

現在可不行。電影要看3D了，手機要連5G了，送快遞要用無人機器了，就連廁所的馬桶蓋都要自帶暖氣了。

於是，科學家也開始對現在的量子糾纏方案，感到不滿意了！

量子糾纏是一種資源

量子糾纏是啥？量子糾纏可重要了。

從理論的角度說，量子糾纏就是倆粒子不是各過各的，而是結拜兄弟，在量子層面存在很強的關聯。

具體來說很複雜。你就暫時理解成，倆粒子形成量子糾纏後，只要測量其中一個，就相當於同時測量了另外一個。這倆是一個整體。

在實踐的角度來說，量子力學就是一種資源。有了這個資源，你就能開展量子計算，開展量子保密通信，在未來，有可能創造巨大的社會財富。

這麼好的東西，為啥科學家開始不滿意了呢？

現有的量子糾纏方案，應用場景有限

科學家不是說對量子糾纏的原理不滿意，而是覺得現有的遠距離量子糾纏方案，可應用的範圍不夠大。

現有的遠距離量子糾纏都是用光子實現的。光子這玩意兒大家都知道，只能以光速運動，永遠也不可能停下來。

這就造成了三個問題:

一，光子跑的越遠，衰減就越厲害，傳輸效率太低。

這就好比快遞員不靠譜，你寄1000個快遞，他能給你弄丟999個。

（美編：山小魈，難道你的快遞也在路上被燒了？）

二，光子停不下來，它攜帶的量子信息也就停不下來。這就導致其中的量子信息沒法在一個地方存儲。這就好比你有個快遞，每天在天上飛，你第二天一覺醒來都不知道上哪兒找去。

三，要想讀取光子的信息，就要把光子吸收掉，這也就是進行破壞性測量。這就好比你買了個U盤，只能讀一次數據，讀完以後U盤就壞了，你下次還得重新買一個，天天都得叫快遞。

你看，要是繼續沿著原來的思路走，量子糾纏要麼就是不能出村。就算出了村，運行效率也會很低。所以，科學家決定換一個思路：

如何讓兩個原子形成量子糾纏？

2019年12月，中國科學技術大學潘建偉、包小輝和張強，聯合濟南量子技術研究院、中科院上海微系統所的合作者，分別在22千米（室外）和50千米（室內）的距離上，用兩種方法，讓兩地的原子產生了量子糾纏。他們的研究結果發表在了《Nature》（自然）雜誌上。

為了說明實驗原理，我們先來看看，如何讓兩個原本不糾纏的粒子，產生量子糾纏。這通常有兩招：

第一招：讓倆粒子發生相互作用

這個道理很簡單。假如有一個原子，有一個光子。用光照一下原子，它們就有一定概率產生量子糾纏。研究組的第一步就是這麼做的。

第二招：進行特殊測量

這個道理稍微有點兒複雜。這有點兒像，你腳底打滑摔了一跤。我可以說是你主動撞地球了，你可以說不知道咋回事，是地球主動撞你了。到底是誰主動，這是個相對的概念；你從不同的角度看，結論就會不一樣。

倆粒子的關係也是一樣的。你要是從一個角度看，這倆粒子沒糾纏。你要是從另一個角度看，不得了了，倆粒子居然同時處於2種相互矛盾的糾纏態。

這個時候，科學家只要從糾纏的角度進行測量，就會讓這倆粒子真的產生糾纏。研究組的第二步就是這麼做的。

如何讓相距50千米的兩個原子發生量子糾纏？

所以，研究組就是通過聯合使用這兩招，讓相距50千米的兩個原子形成了量子糾纏。不過，實驗的具體原理很複雜。這就相當於網上那個畫馬的教程，我剛說了開頭怎麼畫，現在要踩油門，進行思維加速了，直接跳到馬畫好的樣子了。

所以，請各位乘客抓好門把手，系好安全帶。

首先，以上說的辦法不能直接用。為啥？因為倆原子不在一個地，不可能直接發生相互作用，所以第一招不能直接用。倆原子不在一個地，不可能同時對他們測量，所以第二招也不能直接用。

研究組心想，這就好比倆黑幫談判。倆大哥不在一個地，但是可以派倆小弟到一個地談，談完了大哥再籤字承認不就完了？

所以，我們可以讓倆原子派倆小弟，讓這倆小弟跑到一個地接受測量。由於量子糾纏有個特性，就是倆粒子結拜兄弟了，存在很強的關聯。你要是測了其中一個，就等於同時測了倆。

你要是讓倆小弟跟大哥之間有糾纏，那麼如果倆小弟之間形成了新的糾纏，就可以同時讓倆大哥之間也形成新的糾纏。

想明白這件事，具體的實驗就好辦了。研究組先是用第一招，讓A地和B地的兩個原子，分別和兩個光子形成量子糾纏。這倆光子就是小弟。

然後，研究組讓倆光子來到A和B的中間，然後通過第二招，讓它們形成新的量子糾纏。

於是，另外倆原子也同時被測量搞得形成新的糾纏了。

不過，這只是研究組使用的第一種方法，叫作「雙光子」 方案。

在此基礎上，研究組還使用了另一種「單光子」方案，並將糾纏距離延長到了50千米。這兩種方案的思路是一樣的，只是光子和原子糾纏的具體形式不同。在這個方案中，糾纏中的光子處於一種「既生又死」的疊加態中。

雖然這麼做會增加實驗難度，但也有好處。這倆「半死不活的光子」只要有一個活著把信兒送到，糾纏就能形成。

因此，「單光子」方案的糾纏成功率更高。

於是，量子糾纏終於成功出村了！

邁出「量子網際網路」基礎設施的第一步

看到這兒，你可能有問題。這倆原子才距離50千米，也就是出了村剛到鄉裡。

其實，這裡的關鍵在於，原子不會亂跑，是一種不動產。它可以像網際網路的中繼器一樣，老老實實待在一個地方，收到信息就存起來，需要發送的時候再發出去，不會動不動玩消失，也不會只用一次就壞了。

這是整天亂跑的光子做不到的。

所以，這個實驗相當於說，他們做出了一個能出村的1量子比特的中繼器。將來要去市裡、省裡都好辦，多弄幾個量子比特，再多弄幾個交換器，一個節點一個節點連過去就好了。

也許到了將來的某一天，科學家可以用類似的思路，鋪設一套「量子網際網路」的基礎設施，讓遠距離、大規模、安全交換量子數據成為可能。

（美編：山小魈，創造財富不是這麼來的。）

註：

1. 在這個實驗中，科學家不是用一個原子攜帶一個量子比特，而是用1億個原子組成一個系統，讓它們來模擬一個原子。 而且，這兩團原子並沒有相距那麼遠。 實驗裡說的幾十千米，其實是光子在光纖中傳播的距離。 研究組的下一步計劃，就是要把兩團原子真正分開幾十千米這麼遠。

2. 實驗中，研究人員還將光子的波長進行了「量子頻率轉換」，讓它們變得能夠以更低的損耗在光纖中傳播。

3. 用原子糾纏做中繼器，如果距離太遠，也會發生衰減。 但這種衰減是「多項式級」的，比光子糾纏的「指數級」衰減要靠譜的多。

參考文獻：

1. Briegel H J, Dür W, Cirac J I, et al. Quantum repeaters: the role of imperfect local operations in quantum communication[J]. Physical Review Letters, 1998, 81(26): 5932.

2. Duan L M, Lukin M D, Cirac J I, et al. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics[J]. Nature, 2001, 414(6862): 413.

3. Zhao B, Chen Z B, Chen Y A, et al. Robust creation of entanglement between remote memory qubits[J]. Physical review letters, 2007, 98(24): 240502.

4. Kimble H J. The quantum internet[J]. Nature, 2008, 453(7198): 1023.

5. Yu Y, Ma F, Luo X Y, et al. Entanglement of two quantum memories via fibers over dozens of kilometres[J]. Nature, 2020.

作者：Sheldon

繪製：Mirror、淡淡

美指：牛貓

排版：Mirror

鳴謝：於勇、包小輝、張強、徐憑