一夜變天：現(xiàn)在量子糾纏都能量產(chǎn)了？

今天，我們要來聊一個(gè)剛剛發(fā)生的，關(guān)于量子技術(shù)的重大新聞。來自中山大學(xué)的科學(xué)家們，在納米尺度上，成功建造了一座能隨心所欲生產(chǎn)相互糾纏的光子對的神奇工廠。這個(gè)成果的意義非常重大，因?yàn)樗赡軙淖兾磥淼牧孔佑?jì)算機(jī)和量子通信技術(shù)的整體格局。

《自然》雜志論文截圖1

01量子糾纏的概念

量子糾纏這個(gè)詞，相信每個(gè)人都熟悉，也大概知道量子糾纏的意思，不過，為了讓你能真正理解這個(gè)雙光子工廠的非凡意義，這里還是要從量子糾纏的基礎(chǔ)概念開始講起。

在微觀世界里，兩個(gè)粒子，比如兩個(gè)光子，在經(jīng)過特殊處理后，會像一對有心靈感應(yīng)的雙胞胎。無論你把它們分開多遠(yuǎn)，哪怕一個(gè)在地球，另一個(gè)在月球，它們之間都會保持著一種神秘的聯(lián)系。只要你測量其中一個(gè)光子的狀態(tài)，那么在同一瞬間，另外一個(gè)光子的狀態(tài)必然會呈現(xiàn)出被測量的光子的相反的狀態(tài)。這個(gè)過程是一個(gè)瞬時(shí)過程，不需要消耗時(shí)間。這種超越距離的瞬間關(guān)聯(lián)，就叫做量子糾纏。

理解了這一點(diǎn)，我們再來看它的兩項(xiàng)重要應(yīng)用：量子通訊和量子計(jì)算。

比如 A 與 B 二人進(jìn)行量子通信。A 先通過一組糾纏的光子把一份雙方都不知道的密鑰發(fā)給 B。由于糾纏光子一旦破壞就不能被偽造，如果有黑客在半路上竊取了密鑰，那么就會導(dǎo)致 AB 二人手里的密鑰對不上。當(dāng) A 準(zhǔn)備正式向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過任意通訊方式與 B 發(fā)起一次密鑰比對，如果密鑰對不上，就說明有黑客已經(jīng)竊取了密鑰，這時(shí)候，我們只要再次發(fā)送新的量子密鑰，通訊就不會被黑客竊聽了。

再比如量子計(jì)算機(jī)，它需要大量的量子比特協(xié)同工作。這些量子比特能夠同時(shí)存在于多個(gè)狀態(tài)，而不僅僅是經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的 0 和 1 兩種狀態(tài)。通過量子疊加，量子計(jì)算機(jī)能在一瞬間處理龐大的信息量，從而使其在處理一些特殊計(jì)算任務(wù)時(shí)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更高效。而要實(shí)現(xiàn)這種高效的計(jì)算，量子比特之間的相互協(xié)作至關(guān)重要。而量子糾纏，就是連接這些量子比特，讓它們同步運(yùn)算的關(guān)鍵。

所以你看，量子糾纏是未來量子科技大廈的基石。我們找到了很多量子糾纏的應(yīng)用方向，但是有一個(gè)大問題尚未解決，那就是，該如何高效地制造出這些糾纏的光子呢？

02糾纏光子的稀缺性

糾纏的光子是一個(gè)相當(dāng)稀有的東西。在絕大多數(shù)情況下，用激光來照射晶體，可以讓晶體內(nèi)部的電子提升到高能態(tài)。但是，高能態(tài)是不穩(wěn)定的，于是電子就會自動跌落回原來的低能態(tài)，并且釋放出一個(gè)光子。在某種比較罕見的條件下，跌落回低能態(tài)的電子會釋放出兩個(gè)相互糾纏的光子，這兩個(gè)光子的總能量與之前吸收的光子能量相等。這就產(chǎn)生了一個(gè)糾纏在一起的光子對。

這個(gè)辦法聽起來不錯(cuò)，但它有個(gè)巨大的問題，那就是生成糾纏光子對的概率實(shí)在太低了，完全屬于碰運(yùn)氣。所以雖然全世界的科學(xué)家都知道這是一種能夠產(chǎn)生糾纏光子對的辦法，但誰也沒法把它變成一條可以穩(wěn)定生產(chǎn)糾纏光子的流水線。

03從量子點(diǎn)電視到光子工廠
那么，中山大學(xué)的科學(xué)家們到底是怎么解決這些問題的呢？這要從你身邊很熟悉的一個(gè)家用電器開始說起，它就是 QLED 量子點(diǎn)電視機(jī)。量子點(diǎn)電視機(jī)是目前色彩最逼真的電視機(jī)產(chǎn)品。它是怎么做到的呢？其實(shí)它的底層原理就是電子能級降低時(shí)會釋放光子這個(gè)量子力學(xué)原理。

論文第一作者劉順發(fā)副教授開展量子光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)

科學(xué)家們用制造電腦芯片的半導(dǎo)體材料，通過非常精細(xì)的雕琢，造出了一個(gè)只有幾納米大小的房子，這個(gè)房子非常非常小，小到可以把一個(gè)電子關(guān)在里面。奇妙的事情就在這里發(fā)生了。當(dāng)電子被關(guān)進(jìn)小房子之后，物理規(guī)律會迫使它也只能待在固定的房間里，這與電子在繞著原子旋轉(zhuǎn)時(shí)會有不連續(xù)的能級軌道非常類似。當(dāng)我們用激光照射這些電子時(shí)，電子就會躍遷到房子的更高樓層，當(dāng)它們重新落回較低的樓層時(shí)，就會釋放出光子。而你家里的量子點(diǎn)電視機(jī)就是這么發(fā)光的。2023 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，表彰的就是量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和合成。

最重要的是，這些小房子的大小和樓層的高低都是可以人為控制的，只要控制好樓層的高度，就能讓電子準(zhǔn)確地釋放出指定顏色的單色光了。

中山大學(xué)的科學(xué)家們采用的辦法與量子點(diǎn)電視機(jī)的原理是類似的。他們也給電子制造了特殊的小房子，在小房子的束縛下，可以為電子注入更多的能量，這就導(dǎo)致電子在能級向下躍遷的過程中只能釋放出兩個(gè)一模一樣的光子。這就是糾纏光子對的產(chǎn)生過程了。

如果你還是沒聽懂，我可以再給你舉一個(gè)更形象的例子。你可以把科學(xué)家為電子制造的小房子想象成一臺自動提款機(jī)。提款機(jī)的結(jié)構(gòu)規(guī)定了如果取錢，就只能是 100 元的倍數(shù)，因?yàn)樗锩嬷挥?100 元的鈔票。這時(shí)候，我們在存錢時(shí)一下子轉(zhuǎn)賬進(jìn)去 200 元，并且要求它立即取出來。提款機(jī)因?yàn)樽陨硐拗疲椭荒芡鲁鰞蓮?100 元的鈔票了。

通過這種巧妙的設(shè)計(jì)，科學(xué)家們硬是把那個(gè)原本發(fā)生概率低于 0.1% 的罕見事件，提升到了大約 50%。這是一個(gè)革命性的飛躍。過去獲得糾纏光子對是拼運(yùn)氣，是守株待兔，現(xiàn)在則是建立起了一條高效的生產(chǎn)線。所以科學(xué)家才會自豪地說，我們就像在納米尺度上，打造了一個(gè)專門生產(chǎn)糾纏光子的工廠。只要按下開關(guān)，這個(gè)工廠就能按需生產(chǎn)，要多少有多少。

除了產(chǎn)量高，產(chǎn)品質(zhì)量也非常關(guān)鍵。新聞里提到，他們生產(chǎn)出的糾纏光子，保真度高達(dá)99.4%。這是什么意思呢？保真度衡量的就是這對光子之間有多高的概率是相互糾纏的，沒有糾纏效應(yīng)的兩個(gè)普通光子是沒有意義的。99.4% 的保真度，意味著它們的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，幾乎完美。沒有測量就沒有科學(xué)。這個(gè)99.4% 這個(gè)數(shù)值，是這項(xiàng)成果含金量的最好證明。

這座雙光子工廠的問世，為整個(gè)量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了最基礎(chǔ)、也最關(guān)鍵的零件。有了它，整個(gè)產(chǎn)業(yè)就可以從實(shí)驗(yàn)室走上應(yīng)用驅(qū)動的快車道。

想象一下：

當(dāng)糾纏光子能像“自來水”一樣穩(wěn)定供應(yīng)，你覺得哪種量子技術(shù)會最先改變你的生活？是超安全的量子通信？還是其它意想不到的應(yīng)用？歡迎在評論區(qū)分享你的看法！

信源：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09267-6