如何讓相距50千米的兩團(tuán)原子，產(chǎn)生量子糾纏
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(mèng)都要笑醒。
現(xiàn)在可不行。電影要看3D了，手機(jī)要連5G了，送快遞要用無(wú)人機(jī)器了，就連廁所的馬桶蓋都要自帶暖氣了。
于是，科學(xué)家也開始對(duì)現(xiàn)在的量子糾纏方案，感到不滿意了！
量子糾纏是一種資源
在實(shí)踐的角度來說，量子力學(xué)就是一種資源。有了這個(gè)資源，你就能開展量子計(jì)算，開展量子保密通信，在未來，有可能創(chuàng)造巨大的社會(huì)財(cái)富。
這么好的東西，為啥科學(xué)家開始不滿意了呢？
現(xiàn)有的量子糾纏方案，應(yīng)用場(chǎng)景有限
科學(xué)家不是說對(duì)量子糾纏的原理不滿意，而是覺得現(xiàn)有的遠(yuǎn)距離量子糾纏方案，可應(yīng)用的范圍不夠大。
現(xiàn)有的遠(yuǎn)距離量子糾纏都是用光子實(shí)現(xiàn)的。光子這玩意兒大家都知道，只能以光速運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)也不可能停下來。
這就造成了三個(gè)問題:
一，光子跑的越遠(yuǎn)，衰減就越厲害，傳輸效率太低。
二，光子停不下來，它攜帶的量子信息也就停不下來。這就導(dǎo)致其中的量子信息沒法在一個(gè)地方存儲(chǔ)。這就好比你有個(gè)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(jìn)行破壞性測(cè)量。這就好比你買了個(gè)U盤，只能讀一次數(shù)據(jù)，讀完以后U盤就壞了，你下次還得重新買一個(gè)，天天都得叫快遞。
如何讓兩個(gè)原子形成量子糾纏？
為了說明實(shí)驗(yàn)原理，我們先來看看，如何讓兩個(gè)原本不糾纏的粒子，產(chǎn)生量子糾纏。這通常有兩招：
第一招：讓倆粒子發(fā)生相互作用
這個(gè)道理很簡(jiǎn)單。假如有一個(gè)原子，有一個(gè)光子。用光照一下原子，它們就有一定概率產(chǎn)生量子糾纏。研究組的第一步就是這么做的。
第二招：進(jìn)行特殊測(cè)量
這個(gè)道理稍微有點(diǎn)兒復(fù)雜。這有點(diǎn)兒像，你腳底打滑摔了一跤。我可以說是你主動(dòng)撞地球了，你可以說不知道咋回事，是地球主動(dòng)撞你了。到底是誰(shuí)主動(dòng)，這是個(gè)相對(duì)的概念；你從不同的角度看，結(jié)論就會(huì)不一樣。
倆粒子的關(guān)系也是一樣的。你要是從一個(gè)角度看，這倆粒子沒糾纏。你要是從另一個(gè)角度看，不得了了，倆粒子居然同時(shí)處于2種相互矛盾的糾纏態(tài)。
這個(gè)時(shí)候，科學(xué)家只要從糾纏的角度進(jìn)行測(cè)量，就會(huì)讓這倆粒子真的產(chǎn)生糾纏。研究組的第二步就是這么做的。
如何讓相距50千米的兩個(gè)原子發(fā)生量子糾纏？
所以，研究組就是通過聯(lián)合使用這兩招，讓相距50千米的兩個(gè)原子形成了量子糾纏。不過，實(shí)驗(yàn)的具體原理很復(fù)雜。這就相當(dāng)于網(wǎng)上那個(gè)畫馬的教程，我剛說了開頭怎么畫，現(xiàn)在要踩油門，進(jìn)行思維加速了，直接跳到馬畫好的樣子了。
所以，請(qǐng)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?yàn)閭z原子不在一個(gè)地，不可能直接發(fā)生相互作用，所以第一招不能直接用。倆原子不在一個(gè)地，不可能同時(shí)對(duì)他們測(cè)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(gè)地，但是可以派倆小弟到一個(gè)地談，談完了大哥再簽字承認(rèn)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(gè)地接受測(cè)量。由于量子糾纏有個(gè)特性，就是倆粒子結(jié)拜兄弟了，存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。你要是測(cè)了其中一個(gè)，就等于同時(shí)測(cè)了倆。
你要是讓倆小弟跟大哥之間有糾纏，那么如果倆小弟之間形成了新的糾纏，就可以同時(shí)讓倆大哥之間也形成新的糾纏。
想明白這件事，具體的實(shí)驗(yàn)就好辦了。研究組先是用第一招，讓A地和B地的兩個(gè)原子，分別和兩個(gè)光子形成量子糾纏。這倆光子就是小弟。
然后，研究組讓倆光子來到A和B的中間，然后通過第二招，讓它們形成新的量子糾纏。
于是，另外倆原子也同時(shí)被測(cè)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(chǔ)上，研究組還使用了另一種“單光子”方案，并將糾纏距離延長(zhǎng)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(gè)方案中，糾纏中的光子處于一種“既生又死”的疊加態(tài)中。
雖然這么做會(huì)增加實(shí)驗(yàn)難度，但也有好處。這倆“半死不活的光子”只要有一個(gè)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。
于是，量子糾纏終于成功出村了！
邁出“量子互聯(lián)網(wǎng)”基礎(chǔ)設(shè)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(xiāng)里。
所以，這個(gè)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于說，他們做出了一個(gè)能出村的1量子比特的中繼器。將來要去市里、省里都好辦，多弄幾個(gè)量子比特，再多弄幾個(gè)交換器，一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)連過去就好了。
也許到了將來的某一天，科學(xué)家可以用類似的思路，鋪設(shè)一套“量子互聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)設(shè)施，讓遠(yuǎn)距離、大規(guī)模、安全交換量子數(shù)據(jù)成為可能。
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作者：Sheldon
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