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彭承志漫谈量子技术

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彭承志漫谈量子技术

雪花又一年 2018-05-04 14:19:00 浏览44 评论0

摘要: 我今天演讲的题目是量子技术漫谈。我们从100年前的一次很重要的会议讲起。这个很重要的会议叫做第五届索尔维会议,号称是聚集了当时全世界三分之一最聪明的头脑。与会者共有29人,大概有17名诺贝尔奖获得者,其中还包括爱因斯坦、洛伦兹、居里夫人、普朗克,这些如雷贯耳的名字。

我今天演讲的题目是量子技术漫谈。我们从100年前的一次很重要的会议讲起。这个很重要的会议叫做第五届索尔维会议,号称是聚集了当时全世界三分之一最聪明的头脑。与会者共有29人,大概有17名诺贝尔奖获得者,其中还包括爱因斯坦、洛伦兹、居里夫人、普朗克,这些如雷贯耳的名字。

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这个会议上讨论的主题是什么呢?是量子力学

这次会议是我们整个百年来科技发展最大的支柱,毫不夸张地说它改变了整个世界。从改变这个世界的深度和远度来讲,它一点都不逊色于这之前的第一次世界大战,更不会逊色于之后的第二次世界大战,因为到现在它对这个的世界的改变仍未停歇。

我不想讲量子力学有多伟大。量子力学干了很多“活儿”,包括半导体、计算机、激光互联网、原子核、核能。但是从量子力学诞生的第一天起,它就与之前的理论有所不同。

比如,牛顿力学问世以后,牛顿就被聘为英国铸币局的局长,从此名利双收。当时全世界都认为牛顿力学证明了上帝的存在,所以那个时候牛顿力学在人类的整个思想界可算是一统江湖。

但是量子力学不一样。量子力学对世界产生了如此深远的影响,但是从它诞生的第一天起,其缔造者之一,爱因斯坦就开始“反对”量子力学。他说量子力学至少不是全部正确的。

100年过去了,现在科学上讲:虽然微观世界描述的规律和宏观世界有很多不一样,但我们认为量子力学是对的。然而诺贝尔奖的获得者温伯格(Steven Weinberg)——以前我们都是看他的书学习物理的——在退休以后开始认为,也许就像相对论替代牛顿力学一样,将有一个更新、更全的理论可以替代量子力学。

所以量子力学最大的特点就是,它一直被证明正确,但一直有人质疑它

在我发了第一篇跟量子力学实验有关的文章以后,就开始收到信,跟我要探讨量子力学的正确性。当时我很紧张,马上就发给了潘建伟老师。潘老师把我臭骂一顿:这种信你给我干吗?难道你让我跟他讨论一下量子力学吗?

细数量子力学从诞生到现在,你会发现它跟我们上海男人的地位很相似。在这里我要介绍两个算是“嫁”到上海的男人。一个是我,现在是量子卫星的科学应用系统总工程师,还有一个是之前演讲的陈宇翱教授。

我们做的工作也挺多的,在外面也被称为“彭总”、“陈总”,我们研制的量子卫星成功上天,京沪干线在地上连的也很好,在家里表现得也不错的:老婆一说要洗菜我马上就倒水,老婆说要拖地我就打电话叫钟点工(虽然我们自己不会拖)。但是我们在家里地位还是跟低。我一直搞不清楚,为什么我们俩科技宅男的宿命就跟量子力学一样?有一天我去请教我太太:为什么我在家里的地位总是这么地低?比陈宇翱还低(因为我家里比陈宇翱多一个小孩,所以我在家里的地位比他还低)?

我太太就跟我讲:让倒水你洒地上,让洗菜你洗不干净,让拖地你只会叫钟点工,万一钟点工不来这个地就拖不了。量子力学那些东西讲起来是很炫,卫星看上去是很厉害,但是我不懂,我不知道你具体在干什么,所以我就只能觉得,你这个连家务都干不好的人都能把卫星干好,那肯定是因为那些事情太容易了。

当时我就明白了一点——关键我得给我老婆讲明白,我到底在干什么

所以很高兴今天有墨子沙龙这个平台,我的报告题目叫做量子技术漫谈。大家很好奇,我到底在做什么工作,我在实验室到底做的是什么东西?我想来和大家讲一讲这个。我们从哪里开始呢?让我们从光开始,因为上帝说要先有光——当然不是这样,因为我们是在墨子沙龙,我们不讨论上帝。




光这个东西太普通了。小孩子一睁开眼睛就能看到光,就对光有反应;人在地球上接受到的信息中,70%以上是由眼睛,也就是光传进来的;整个地球能够存在是由于太阳,太阳的能量是怎么过来的?全部都是光传送过来的。我们在这个世界上能够看到最老的物体是什么?不是这个地球,这个地球只有40多亿年,如果想去找40多亿年的岩石,得打一个很深的洞才能看到。抬头看天,虽然你的肉眼可能感觉不到,但是有100多亿年以前的光子会进入到你眼睛里。

光是最普通的,它随处可见,但是这种普通的东西又一定是最神奇的。为什么这么说呢?

几百万年前,那时人类还是山顶洞人,他们走出山洞可以看到和我们一样的星空。那时候没有污染、没有雾霾,他们看到的星空可能更漂亮;古时候人们也会看这个星空,帝王看到后,召集臣子、嫔妃,大宴群臣;文人墨客呼朋唤友,如果是柳永的话,还要从青楼请两位佳人,吟诗作对,举杯邀明月,对影成三人。

我们科技宅男的先辈们在干什么呢?科技宅男一看到星空,就会思考星空中的光是哪来的?是什么让我们看到有星空?这个星空是什么?这个世界到底有多大?这个世界怎么来的?很自然的,人类仰望星空,就会思考这些问题。

围绕这些问题产生了很多理论。最早的时候是地心说,牛顿力学问世以后地心说被推翻,人们开始认为宇宙是无限的,时间是永无止境的,星空也是无限的,这是后来的一个观点。

但是实际上,光早就告诉你答案了。我们科技宅男也是反应慢,牛顿力学建立起来两百多年以后才开始意识到一个问题:假如宇宙是无限的,地球存在的时间也无限长了,也就是说宇宙中星星的数量也是无限的,那我们就推出一个结论——你看不到黑暗的星空,你一走出门就已经被星星给晒死了。因为用所有的星光积分的话,会发现地球上星光的强度是无穷大的。

我们科技宅男看世界的眼光是什么?抬头一看天是黑的——这个世界是有限的,这就是结论。事实上现在的宇宙也告诉我们,这个宇宙体积上是有限的,时间上也是有起点的。

我们再讲一个科学看世界的例子。

我们看到的光很容易产生,实际上任何一个物体都会发光,且不说点燃的蜡烛,哪怕是一个黑漆漆的铁块,把它加热到一定温度——很早很早以前人们都看到铁匠打铁的炉子——铁块就会发光。

所以光是怎么来的呢?光是原子振动产生的。这里面就会有一个问题,原子发光的特性是什么呢?

按最早的理解,这个光始终是连续不断地发出来的,我们从来没有看到光断掉。然而,量子力学出来之前人们做仿真计算,发现假如原子是连续发光的,就得出能量越低的原子发出的光能量越强。也就是说,如果有一个原子,刚一发光就发出所有频率的光,这个光是无穷大的,整个世界一下子就清净了。为什么呢?全都变成光了,世界将只有光和剩下来的残渣。

但是我们没看见世界是这样子的呀。于是普朗克就提出了一个假设:原子发光是不连续的,它是量子的。如果不是量子的,这个世界就不存在了,我们就不会坐在这里讨论这个问题——科学看世界就是这样子的。

那么怎么才能看到真正的量子,或者说怎么做出一个一个的光量子?如果想看到量子力学预言的光量子规律,要把一个光子弄出来,这个时候技术就开始出场了。

大家看到这里有一个很小的柱子,这个柱子直径大概是千分之一毫米,大概相当于一根头发的1%。里面囚禁着一个半导体里的载流子,我们把它称之为一个半导体的量子点。当我们用泵浦光打上去的时候,它的功能就相当于一个原子。

原子太小,我们真的去抓一个原子是抓不出来的,但是可以用这样的体系模拟出一个原子发光的过程。这个体系只发出一个光子,这就是单光子光源。

实验室里的单光子光源和我们平常用的手机芯片是一样的,但是要把这个芯片降到很低的温度,所以芯片的外面有一个用来降温的大罐子。罐子里面这个亮点叫做量子点,每次可以造出一个光子来做实验。

前面潘老师讲了量子纠缠。如何产生量子纠缠?假如这儿有个电梯,葫芦娃里的水娃和火娃一起进去,电梯门一关,上去了,他俩衣服一换,又出来了。你能分出谁是火娃、谁是水娃?

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量子力学预言,这个时候不仅我们不知道谁是火娃、谁是水娃,如果你不去问的话,他们自己也不知道谁是谁,每个人既是水娃也是火娃。这是量子力学和经典力学不一样的一点。直到你问他,你是火娃吗?他说是,那另外一个一定是水娃。这种量子纠缠的这种现象不管分开多远也是成立的。用量子纠缠,我们又可以做很多很多事。

信息传输

那我们怎么利用量子纠缠呢?图片中就是我们卫星里面的一个量子纠缠源。看起来很简单,一堆铁疙瘩再加一个电子板,很像电脑机箱。但是它有一个激光干涉仪,就像我们刚才说的电梯,可以把两个单光子“干涉”出来。这个纠缠源可以以每秒大概100万个的速率,不停地产生一对一对的火娃跟水娃。

当然纯粹的单光子源用来做量子密钥太难了,我们在理论上和在实验上又提出了新的方案:诱骗态光子源。这个机器里就合成了一个诱骗态光子源,可以用来做量子密钥分发。

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现在做出量子纠缠了,我们能够用它干什么呢?


量子力学经常受到质疑,比如量子通信不是通信,量子通信不像我们说的那么安全。当然这个时候我很难回答它安全不安全,为什么呢?那些想要证明量子通信不安全的人,最简单的方法就是发一篇理论文章,再用实验验证,做完以后就可以拿诺贝尔奖,也不必在媒体上质疑了。

至于量子通信是不是通信,这个取决于到底传输的是什么。前面陈宇翱已经介绍了量子密钥分发,我们的卫星里面还做了量子隐形传送。怎么用量子隐形传送来传输信息呢?就用量子纠缠,两个火娃、水娃之间的关联特性。传输这个信息的时候,就已经不用信息的载体,而是用纠缠把这个信息直接传送过去。

单光子探测


我们讲的光源看起来很简单。一个量子点再加一台像电脑一样的东西,就是纠缠源,然后把它放到天上去。但是这样单个的光子怎么用来探测呢?


光的探测有很多种方式,眼睛就是最标准的对光的一个探测,而且眼睛的进化很厉害。在单光子探测器出现之前,眼睛是这个世界上最敏感的光探测器。曾经有物理学家试过,大概十个到百个左右的光子就已经足够让眼睛有反应。但是一个光子眼睛还是探测不到的。因为单光子能量很弱很弱,虽然单子光打到眼睛里面的时候,实际上它也产生了信号,但是这个信号太微弱,淹没在眼睛或者仪器里面的噪声里了。怎么办?

我们用超导纳米线做了一个特殊的眼睛,把它降到很低、很低的温度,低温度意味着什么?意味着原子已经完全静止,一点的扰动就可以扰动到它。这时一个光子打进来,在纳米线上转变成的热量就足以让它退出超导的状态,我们就可以探测到这个光子。此外还有新的技术,比如半导体雪崩效应,也可以做这种单光子探测器。我们把单光子探测器搬到天上,就能够在天上探测到地面发出的量子光了。

量子光的发射和接收实现后,就可以做很多事情,包括我们量子星里边的几个基本的任务。

比如说量子密钥的分发。我们可以从外太空,直接在卫星和地面之间建立密码通道。卫星可以全世界到处跑,假如不追求覆盖效率,一颗卫星也可以覆盖全球,可以向全球任意一个大使馆实现量子密钥分发。我们还把纠缠源放到天上,可以把“火娃”、“水娃”真的从卫星上面送到千公里外的两个接收端来检测火娃、水娃的量子力学的非局域性。我们还可以用量子隐形传态来做量子纠缠的传送。

这就是我们量子卫星整个的形状,两个红布都是光学天线。我没做量子卫星之前也觉得卫星很神秘,后来发现卫星的每一根线都是人手工制作、搭建的。从自动化程度来说,还不如富士康的iPhone手机生产工厂,但是从质量、从科技含量来说,卫星比富士康还是高级一些的。

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量子卫星实验仪器的体积大概一个立方米,可以把我们的实验仪器全部都装进去。

光有卫星在天上还不行,还要有地面接收卫星的量子信号。实际上这个也很简单,我们跟天文台合作。

这是北京边上的兴隆、乌鲁木齐边上的南山,这是青海的德令哈,这个是云南的丽江,这里是西藏的阿里,海拔很高,欢迎大家过去。

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在这样几个地面站中,我们用光学望远镜把光收下来,然后用前面说的单光子探测的系统进行探测。

这就是我们实验的照片。这个绿色是从天上发下来的信标光,红色是地面发射的信标光。这个信标光本身并不传输这个量子信息,量子信号会沿着这两个光标记的信道发下来。

这个必须要讲一下做为科研人的感受。因为量子卫星光的亮度设计的余量比较高,打下来的时候强度比较大,你会发现它比金星还要亮,颜色是绿色的。大家可以试着去找一下。“墨子号”量子卫星于8月16日发射上天,发射大概一周后我去了北京兴隆。夏天在兴隆可以清晰地看见天空背景中的银河。当肉眼看到一个比金星还亮的亮点,非常安静地从天空一路划过天际的时候,我一直在想,这个是我做的。这感觉太爽了。

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所以做科技宅男虽然有的时候反射弧比较长,动手也慢一点,可能老婆叫倒个水5分钟还不知道水在哪里。但是经过十年的努力,量子卫星成功的时候带来的感觉,也确实不能简单地用一个“爽”字来形容。

这就是我们量子星工作的时候,飞过兴隆,飞过南山,飞过德令哈。它会建立起密钥,建立起纠缠,隐形传态实验,它某种程度上是通过卫星和地面一起构建一个真正的天地一体化的实验系统。这个实验室是非常巨大的,覆盖了几千千米大的范围,我们就在这个范围里做量子力学的实验,它也开辟了未来空间量子科学实验的一个方向。

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最后再简单地介绍一下其他小组的一些工作。我们前面讲的量子卫星,本质上就是把一个光量子从天上扔下来,地上能收到、能看到就行了,再有就是把一个光子从地面扔上去,在天上能测到。这是我们在很广阔的空间尺度上构建的量子实验体系,我们实验室还有很小尺度的工作,它能做什么?

大家看这个照片。这上面的一个格子是1微米或者是500纳米,每个格子里的亮点是一个原子。我们前面说,正是因为单个原子太小了,我们没办法用单个的原子来产生单光子源,所以我们用一个半导体的柱子来产生单光子源。但是我们科技宅男是不言放弃的,单个的原子我们也要试一试。这种技术就能够抓住单个原子,然后把单个原子一个个地排列起来,一个个地进行操纵。

这是我们用单个的原子排出的量子力学一个著名的符号。我们做这些是为了什么呢?我们想要在更多的尺度、更大的程度上进行操控。人类在自然界繁衍出来,一直想干的事情就是超越自然界。毛主席说了人要胜天嘛,这个就是我们从技术层面,从量子层面要做的事情。

未来已来


其实人类不理解量子力学或者批评量子力学,是因为我们离量子力学不够近。当我们远远地看量子力学的时候,就像从高楼里看低处广场上的人。广场上有很多人,每个人都在说话,每个人说话的内容都是有意义的,每个人唱歌的声音也是很好听的。但离远了以后只会听到一片的噪音,只会看到一些茫然的人群。


而我们研究量子力学,就是让人群——粒子的群——用同一个声音发音,这种就叫宏观的量子态

比如激光,晶体管,以及核能的一些技术,就是把所有的量子都调制到一个态上面,变成“合唱团”,这个时候量子的声音和量子的规律才能够被看到。

最近这几年我们在做什么呢?经常听到一个词,叫量子调控。量子调控就是让每一个粒子演奏不同的曲目,让每个粒子按不同的规律去演化,这就是一个交响乐团。它能够比“合唱团”做更多的事情:在更远的距离上去调控量子,在更多的粒子层面上去调控量子。我想这个就是量子技术一直在发展、一直在做的事情。

科技改变生活,量子创造未来,谢谢大家!



原文发布时间为:2017-03-17
本文作者:彭承志
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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