潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?

2019-03-27 - 潘建伟

本系列内容来自音频专辑《汪诘:科学有故事》中的“听众问答”,定期答复听友们提出的各种与

科学有关的问题。

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潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?
潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?

听众薛定谔的猫在我的微信公号中留言写道:汪老师,请谈谈潘建伟团队的大贝尔试验好吗?新华社说是由潘建伟团队主导的试验,完全不提国际合作的事情,我去看了一下原论文,奈何英文不行,大致看出来还有好多国际团队的合作。这个试验的意义有多重要?之前也有听众问起过,说方舟子一直在孜孜不倦地打假潘建伟,想知道潘建伟在研究的量子通信到底是不是伪科学,国际上对这个项目又是怎么看的?

潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?
潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?

好,那我今天就借着大贝尔试验的这条新闻,再跟大家聊聊潘建伟教授的成就。先来说一下大贝尔试验是怎么回事。客观地说,新华社的这篇新闻实在有点让我无语,竖立民族自信最好还是要建立在客观真实上。新华社的这篇新闻稿是 2018 年 5 月 11 日发出来的,也就是前两天的事情,我的很多群里都在转发。

潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?
潘建伟教授 听众问答 33:潘建伟教授的成就是货真价实的吗?

我先给大家念一下新华社的原文,然后我再说真实的情况,你们就知道是怎么回事了。原文是这样:近期,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、印娟、张强、陈宇翱等组成的团队,在国际上首次实验实现了基于人类自由意志和超高损耗下的贝尔不等式检验,并在此基础上开展全球合作,利用超过十万人的自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验,相关成果于5月10日发表在《自然》杂志上。

好了,新闻听完了。你再仔细听我说下面三点:

1. 这个大贝尔试验是 2016 年 11 月29 日开始的,持续了大约 1 天的时间,注意时间,是2016 年,这就是新华社新闻中所说的“近期”的准确含义。

2. 《自然》杂志的那篇文章的署名作者的名单很长很长,有几十个人,潘建伟教授他们当然也在其中。

3. 这是一个国际合作项目,初始倡议者是西班牙的光子科学研究所,参与的机构全世界加起来总共有 9 家,中科大只是其中之一,并没有任何特殊性质。

知道了这三条基本情况后,我再来说说这个大贝尔试验是咋回事。贝尔实验是数学家贝尔提出来的一个验证量子力学的物理实验,主要与量子纠缠的性质有关。那关于什么是量子纠缠,什么是贝尔实验,请听我《宇宙自然生命简史》的第 21 和22 期节目,我介绍的非常详细,而且通俗易懂,我不再赘言。

在贝尔实验中,有一个重要的工具,就是需要一组很长很长的随机数。有一些特别苛刻的的科学家就提出,之前所有的贝尔实验中产生的随机数都值得怀疑,不是真正的随机数,因为只要是用机器产生的随机数都不见得是真随机,或许就是在宇宙大爆炸的那一刻就由所有的参数决定了的。

那既然随机数不是真随机,那么实验的根基就不牢靠。为了应对这样的质疑,有一些科学家就提出了另外一种随机数产生的方法,就是用人肉来产生。

这是基于自由意志假说,也就是说人的意志不是在宇宙大爆炸那一刻被决定的,每个人都有自由意志,所以如果你现在闭着眼睛随机的写 0 和 1 的字串,这个字串就是随机的。

当然,为了更保险,最好是几万人甚至十几万人写下的字串再归纳。为了不让这件事情干着太枯燥,于是科学家们就设计了一个游戏,邀请全世界的普通人在同一段时期内一起来玩。原本是计划邀请到 3 万人以上,最后实际参与的人数超过了 10 万。

这个就差不多是大贝尔试验的基本情况。潘建伟的团队参与了这次实验。结果不出意外,再次证明了量子力学的正确性,和之前的多次实验结果一样。相关成果以 Letter 的形式发表在了 2018 年 5 月 10 的《自然》杂志上。Letter也是研究成果的发表形式,比 Article 的等级略低一点,但也是重要的文献。

说实话,我觉得这不算是非常重要的科学成果,感觉更有点像是一场对公众做科普的秀,很好玩,也很有话题性。但科研价值可能有限。因为对于这次实验,在科学界其实并没有人认为会出现什么惊人的不同结果。我认为加上人类自由意志的噱头不过是更容易引起公众的兴趣罢了。

说回方舟子打假,我承认方舟子确实成功地打过很多科技领域的假,而且如果是在他的本专业范围领域内的,我印象中还没有失手过。不过出了他擅长的生物化学领域,就不好说了。这几年他一直在孜孜不倦地打假潘建伟教授,差不多有 10 年了吧,我记得我写《时间的形状》第一版时,就是因为看到了方舟子的打假文章,下笔的时候还特别小心翼翼地用了我等吃瓜群众目前还在看热闹中的说法,但是到第二版的时候,我就删除了。

因为随着时间的推移,潘建伟教授的学术成就越来越可靠。

可最能说明潘建伟学术成就的是去年,他两度在国际最顶尖的科学期刊上发表论文。去年6月,潘建伟领衔的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”团队实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录,相关成果发表在《科学》杂志上。

时隔一个多月,这支团队又在国际上第一次成功实现“千公里级”的星地双向量子通信,相关成果在线发表在《自然》杂志上。年底,他又被《自然》杂志评为年度十大科学人物。

当然,有人也可以用韩春雨事件来说这还是不能说明问题。但关于潘建伟教授的报道并不是突然一阵风,是由来已久了,可以说,经受住了时间的检验。久负盛名的著名科普杂志《科学美国人》 2017 年 6 月也曾经发文科普过潘建伟和他的量子通信。我请我的助理小编把这篇文章全文翻译了一遍,发布在这里,而在我的音频节目中我会选取一部分念一下。

中国打破“幽灵般超距作用”的纪录,准备好迎接量子互联网

去年六月的测试具有里程碑式的意义。潘建伟率领的团队使用实验卫星在前所未有的距离上,测试了量子纠缠。他们将纠缠态的光子对发射到了中国的三个地面站,而地面站之间都相隔超过 1200 公里。这项测试验证了量子理论长期以来显得颇为神秘的原理,并建立起了中国在新兴的“量子太空竞赛”中的领跑者地位。

中国的目标就是创建一个基于量子的安全的通信网络,也就是一个潜在的不可撼动的“量子互联网”,这将具有巨大的地缘政治意义。

日内瓦大学的物理学家尼古拉斯·吉辛并没有参与墨子号的研究,她是这么评价的,中国已经在量子通信领域了取得了领先,这证明全球量子通信是可能的,并且将在不久的未来得以实现。

量子通信这个概念被认为是安全的最优标准,部分原因是因为任何窃听行为都会在传输中留下印记。传统的加密信息需要密钥来解密,但是这些密钥在发送给以太空间的过程中有时会被窃取。而在量子通信中,这些密钥可以编码成纠缠光子的各种量子态,例如它们的极化状态。

而且如果信息被中途窃听,信息的量子态将不可避免地发生改变。基于地面的量子通信通常会通过光纤电缆或在露天发送纠缠光子对。但沿途与普通原子的碰撞会干扰光子脆弱的量子态,使传输距离被限制在了几百公里。

而去年六月潘建伟的测试距离达到了千公里级。有一种被称为“量子中继器”的精密仪器,配有“量子存储器”的模块,原则上可以以菊花链的形式连接在一起接收、存储和重新传输长距离的量子密钥。但这项任务非常复杂和困难,以至于这些系统很大程度上依然只存在于理论中。

伊利诺伊大学厄巴纳分校的物理学家保尔·威特表示,量子中继器必须从两个不同的地方接收光子,然后将他们存储在量子存储器中,接着直接让它们互相干涉,之后才能沿着网络发送进一步的信号。他还说,为了完成以上的步骤,你必须在没有实际测量它们的情况下,明确地知道已经存储了它们,这有点像没有打开邮件的包裹,但知道里面装的是什么物品。

如果是包裹,你还可以晃动下听听里面是什么,但难就难在你收到的只是光子。你希望确认你已经收到了它们,但你不希望吸收它们。毫无疑问,理论上是完全可以实现的,但现实中很难做到。

为了形成环绕全球的安全的量子通信网络,唯一可行的方案就是从太空中发送量子密钥,然后将它们分发到数千公里以外的地面节点。以中国古代哲学家命名的墨子号,重达 600 公斤,2016 年时已经被发送到了近地轨道。这是中国在量子通信领域发力的标志性事件。但这还不算完,墨子号只是排头兵,接着还有一系列的国家层面的研究计划,投入的总额约为 1 亿美元,项目被称为“量子科学试验卫星”(QUESS)。

墨子号携带的核心部件是一系列晶体和激光器,它们能够产生纠缠的光子对,然后将光子对分离,通过单独的光束传输到卫星视线范围内的地球上的地面基站。2017 年 6 月的测试,三座接收站有两座位于青藏,分别是德令哈和乌鲁木齐,还有一座位于西南部的丽江。德令哈和丽江相距 1203 公里,打破了纠缠光子对传输距离的纪录。

去年中旬的这次测试和搭建起来的系统,大多是为了证明概念的可行性。因为当时报告的墨子号和地面接收站之间的数据传输率太低了,无法支持实际的量子通信。墨子号晶核每秒传输过程中产生的六百万个纠缠对中,只有一对到达了地面的探测器,被地面基站上的聚光望远镜接受到,因为过程中光束需要穿过地球的大气层会变弱。

中国科技大学的潘建伟是团队负责人,他从 2003 年起就在推动进行这项实验。他把这个过程比作是探测到月球上一根火柴发出的单个光子。

即使如此,他也认为,墨子号传输纠缠光子对的效率比使用最好的通信光钎快了一万亿倍。他说,我们做了一件在没有墨子号的情况下绝对不可能完成的事情。潘建伟表示,接下去的五年,量子科学试验卫星项目将发射更多更实用的量子通信卫星。

尽管现在潘建伟和他的团队对墨子号和后续发射上空的卫星的规划是最终能够分配量子密钥,但他们最初的目标其实很简单,那就是证明爱因斯坦是错的。

量子理论有一种特性,叫量子纠缠,简单来说,两个处于纠缠状态的量子,无论这些粒子之间相隔多远,只要一个测量了其中一个粒子的状态,另外的粒子就算远在天边也会立刻随之改变状态不过,爱因斯坦并不买账,并讥讽这个现象为“幽灵般的超距作用”。

爱因斯坦之所以无法接受,因为这似乎暗示了信息或许可以在粒子之间超光速传递,违反了他狭义相对论中所设定的宇宙速度极限。于是,爱因斯坦和其他人认为,或许纠缠态的粒子共享某个“隐变量”,这些变量无法通过实验获得,但测量时可以决定粒子接下去的行为。

1964 年,物理学家约翰·贝尔想出了一个方法来测试爱因斯坦的想法。他计算出了一个物理学家统计学意义上可以测量的和纠缠粒子有关的隐变量的极值。如果实验证明这个极值可以被超过,那么爱因斯坦关于隐变量的想法就是错的。

20世纪 70 年代以来,物理学家在不断扩大的时空范围内进行了贝尔实验,都证明爱因斯坦至少在这一件事上,是确实搞错了,纠缠的粒子确实超过了贝尔设定的严格的极值。之前,最具有决定性意义的一次测试发生在 2015 年的荷兰。

当时,代尔夫特理工大学的一个团队解决了几个潜在的困扰之前实验的漏洞。虽然是小概率事件,但这些漏洞可能使实验者错过发现隐变量。2015 年的实验包含了分隔稍稍超过一公里远的纠缠粒子。而墨子号对纠缠光子的传输是在相距超过 1000 公里的地面基站之间进行的,这是迄今为止最具有说服力的贝尔实验。

和之前一样,这两次实验都证明,爱因斯坦错了。量子领域仍然充满着诡异,没人能完全理解其中的原理,只知道它确实发生了。(汪诘注:贝尔实验的成功不代表狭义相对论错了,只代表“隐变量”假说是错的,科学家也从理论上证明了,量子纠缠效应并不能实现信息的超光速传递。)

德州大学的物理学家斯考特·阿伦森表示,任何接受量子理论的人都不会怀疑量子纠缠会在超过 1200 公里的距离间产生,甚至可以说在无限长的距离内都可能产生,但看到有实验确切证明了这一点,还是非常棒的。他还说,我们现有的知识并不能说明量子通信这个目标是无法实现的,潘建伟的这次试验很重要,并不是因为它是石破天惊预料之外的,也不是因为它推翻了过去的认知,而是因为它是多年以来努力工作获得的让人满意的结果。

潘建伟的这项工作开始于上世纪 90 年代,当时他是奥地利因斯布鲁克大学物理学家安东·泽林格实验室的一名博士研究生。泽林格是潘建伟的博士导师。他们亲密合作,一起测试并进一步发展了量子通信的想法。潘建伟于 2001 年回到中国,建立了自己的实验室。

巧的是,泽林格也在位于维也纳的奥地利科学院创办了自己的实验室。接下去的七年,他们在打破纠缠光子对的传输纪录上激烈竞争,竞争的内容包括间隔的距离更大、条件更极端,并要求实验以地面为基础进行。

他们两人还在这段时间内说服了自己国家的航天局,给发射卫星、从太空测试这项技术开了绿灯。但泽林格的提案毁在了欧洲航天局的官僚主义上,而潘建伟的提案马上就获得了中国国家航天局的支持。

最后,泽林格选择了与他的学生再次合作,而不是展开竞争。现在,奥地利科学院是“量子科学试验卫星”项目(QUESS)的合作方。更让人期待的是,这个项目计划用墨子号来进行一次洲际间的国际量子密钥分配试验,地面基站会建在北京和维也纳。

泽林格说,我很高兴墨子号进展顺利,但我也意识到,欧洲和其他国家错过了量子通信这个巨大的机会。

其实这些年,其他的研究人员和机构都在争相赶上,推动政府给与更多的资金,用来进行地面和太空的进一步实验。这其中,有很多人认为,墨子号的成功是他们一直期盼的催化剂,能推动政府对这项研究给与更多的便利。加拿大滑铁卢大学,这个名字有点逗,但确实大家就是这么叫的,这所大学的物理学家托马斯·坚尼威没有参与墨子号的研究,他表示,这次试验确实是一次重要的里程碑事件,因为如果我们将来要建造一个量子互联网,我们就需要在这样的长距离间发送纠缠态的量子。

他说,这项研究对所有科学界的人来说都是具有开创性意义的,每个人都可以指着它说,看到没,这行得通!

坚尼威和他的合作者正在从头开始寻找一种以太空为基础的研究方法。目前,他们正在和加拿大航天局合作,计划最快 2021 年能发射一枚比墨子号更小且相对简单的卫星,作为通用的接收器重新分配从地面站发出的纠缠态的光子。

而在新加坡国立大学,由物理学家亚历山大·林领导的一个国际合作项目已经发射了比较省钱的鞋盒大小的立方体卫星,用于制造、研究、甚至传输“相关的”光子对,他们研究的这种状态接近量子纠缠,但还不是完整意义上的量子纠缠。美国伊利诺伊大学的奎特正在用来自 NASA 的拨款开发一种能够测试量子通讯的装置,这种量子通讯可能会在未来的某一天用到国际空间站的超广角,也就是多个光子对的同时纠缠。

所有研究中最引人注目的是来自德国马克思·普朗克光学研究所的一个科研团队。他们正在开发量子通信协议,用于已经可以商用的太空中的激光系统,这些系统已经在欧洲哥白尼卫星和太空数据高速路卫星上使用。这个团队使用了其中的一个系统,成功编码,并通过地球静止轨道卫星发射的光子,把量子的简单状态发送给了地面基站,这颗卫星距离地球上空约 38000 公里。

团队领导者马奎德特表示,这项技术并不依赖量子纠缠,和中国的“量子科学试验卫星”项目(QUESS)完全不同,但只需要小小的升级,它就可以在五年内被用于安全通讯中量子密钥的分配。他们的研究成果发布在了《光学设计》(Optical)期刊上。

马奎德特说,我们的目的是真的找到一条捷径,让卫星的量子密钥分配这样的事情在经济上可行、技术上可用,并且这一过程能很快实现。他表示,工程师们花了 20 年,努力工作才造出了这些系统,所以升升级很简单,一切从头设计并不划算。如果你能指望得上太空里已经有的经过时间检验的设备,这就是一个巨大的优势,因为在太空里能正常运作是件很难的事,通常得花个五到十年才能做到。

马奎德特和其他研究人员猜测,这个领域比公开发表的论文来得复杂也先进得多,美国和其他一些国家可能对其中重要的发展做了官方层面的保密工作。我们或许已经来到了量子通信的时代。马奎德特表示他有一个同事开了个玩笑说,美国的沉默恰似一声惊雷。

美国人可是自由空间卫星和量子密钥分配的行家,他们在洛斯阿拉莫斯国家实验室和其他地方都有研究团队,但突然间,就不再公布进展了。我们认为他们不再发声只有两个可能,要么干砸了,要么干成了!

以上就是《科学美国人》的那篇文章。我想,这篇文章可以很好地破除网上流传的很多谣言,例如量子通讯是科学骗局,其他国家都不搞量子通讯,就中国人花大钱在搞之类的。

我想补充一下,存在一个广泛的误解,那就是量子通讯就是量子纠缠原理的应用。实际上,量子保密通讯可以用到量子纠缠,也可以不用到量子纠缠。墨子号的量子通讯试验和量子纠缠试验其实是两个不同的实验,它的量子通讯只需要用到单光子密钥分发,并不需要用到量子纠缠。它做的量子纠缠的实验只是为了验证理论的一项纯试验性质的工作,为后续的工作铺路的。返回搜狐,查看更多

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