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卫星量子通信,到相对论的地盘上撒一点野

两个最伟大的理论相遇,会擦出怎样的火花?量子理论和相对论,即将在近地空间中给出答案。图片来源:fbcdn.net

(文/Sophie Hebden)这是一个交汇点,这片从我们星球的表面向外延伸数百千米、近似空无一物的广袤空间,是一个交汇点。在这里,地球的引力开始弱到抓不住构成大气的那些气体分子,但又尚未抵达真正空无一物的外层空间。人类的活动在这里随处可见。人造卫星不断闪烁,在监测,在导航,在通讯。

这些人造卫星也是一个交汇点。在它们内部的传感器和电子线路的最底层,电子和光子正随着自然界中的最基本理论——量子理论的旋律而翩翩起舞。量子理论模模糊糊的不确定性和无视距离的瞬时作用,给最小尺度上的物质行为提供了一份无与伦比的描述。然而,要预测人造卫星本身如何运动,或者预测其他宏观物体(从苹果到恒星、星系,乃至宇宙本身)的运动,我们就必须借助与量子理论截然不同的另一套数学框架——描述空间弯曲的爱因斯坦引力方程,也就是精确的广义相对论。

这两个理论相处起来并不融洽。事实上,它们从根本上就相互对立。那么,如果一个理论闯到了对方的领地,结果会是怎样?要解答这个疑问,只有唯一的一条路可以走:我们必须将量子实验带入相对论的管辖范围,也就是那片悬浮在我们头顶之上的边缘地带。

幽灵般的超距作用

迄今为止,在量子理论和相对论铁甲般的理论框架上,我们尚未寻得一丝裂隙,这并不是说我们不够努力。广义相对论描述的时空弯曲,只要涉及到的尺度足够巨大,它与更早之前牛顿引力理论之间的差异就会变得相当明显。但是,对遥远的行星、恒星及星系的被动观测,尚未让我们找到任何偏离爱因斯坦理论的迹象。另一方面,量子理论的奇异之处在地球上就可以更直接地加以检验,结果也是严丝合缝——爱因斯坦曾对此忿忿不已。

以奥地利维也纳大学安东·蔡林格(Anton Zeilinger)所做的实验为例:过去几年来,他率领的团队一直在加那利群岛长距离传输光子。按照量子理论,光子这样的粒子以波函数的形式存在。所谓波函数,描述的就是这个粒子同时处于所有可能量子态的概率。然而,当这些光子被测量时,它们的波函数就会坍缩到某个特定的状态。不仅如此,一种被称为纠缠的的效应还可以把两个或者更多粒子的命运关联在一起。测量一个粒子,另一个粒子的波函数也会坍缩,而且似乎是在瞬间完成的,不论两者相距多远。

爱因斯坦对这种“幽灵般的超距作用”嗤之以鼻,更愿意相信有某种隐藏的物理作用将两个粒子的测量关联在一起。然而,在不见月色的寂静夜晚,将一对纠缠光子中的一个传输到144千米以外的拉帕尔玛岛之后,身在特内里费岛的蔡林格及其团队,仍然观测到了光子状态的对应坍缩,就像量子理论要求的那样。

这种技巧已经有了实际的用武之地。窃听者无法在不破坏量子纠缠态的情况下窃取到其中编码的信息,这就让隔墙之耳无所遁形。用光子的极化状态(polarisation state)写就的密匙,现在已经应用于信息的编码和解码,世界各国的政府机构、科研实验室和商业公司,已经在自己搭建的小规模光纤网络中使用了这项技术。

不过,这种技术也有局限。传输距离超过大约100千米,光纤中光信号的衰减就会干扰其中搭载的量子信息,造成信息丢失。我们目前还没有任何可靠的手段,能像经典通信那样沿途对量子信号进行增益。要想尽快享受到全球范围的量子通信及其优良的保密性,我们就必须利用卫星来传送量子信号。

这就给一个非常基本的问题,设定了一个实用性的边界。“我们已经看到量子纠缠能在宏观尺度上工作,但它能永远这样发挥作用吗?”意大利罗马大学的理论物理学家乔瓦尼·阿梅利诺-卡梅利亚(Giovanni Amelino-Camelia)如此问道。有很好的理由表明,天空或许正是量子纠缠的极限所在。

相互矛盾的时钟

地球上我们所知的量子纠缠,取决于量子理论的一个假设:空间和时间构成了一个一成不变的背景,测量之类的事件就在这个背景上发生着,不会对这个背景产生任何影响。在一处完成一项测量,在另一处观察到相应的效果,你就有理由确定是前者影响了后者。但在相对论的世界里,空间和时间当然都是相对的。对于相对于彼此高速运动的物体,对方的时间似乎走得更慢,空间也收缩得更短。不仅如此,按照广义相对论,越靠近大的引力源,时钟也会走得越慢。

在地球的表面,这些效应都小到可以忽略不计,但GPS全球定位系统就必须针对这些效应,不断校正在卫星间来回传送的信号。这就有可能意味着,量子实验中各个事件发生的先后次序,不再具有清晰的界定。那么,如果说会有影响的话,相对论效应将如何改变量子纠缠这样的现象呢?

这已经不是我们第一次提出这个问题了,但此前为了回答这个问题而做出的种种尝试都令人相当失望。从2002年起,蔡林格就一直在跟欧洲空间局交涉,想将一台纠缠光子源送上国际空间站,让他能够向地面发射纠缠光子。“他们没有拒绝,只是说时机未到。”2010年,一项提议最终获得通过,加拿大空间局将把一颗微卫星发射至近地轨道建立量子连接。然而,参与该项目的科学家之一、美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的戴维·赖德奥特(David Rideout)说:“用卫星进行基础科学研究的可能性仍有待观察。”蔡林格说,美国宇航局(NASA)在2012年组织了一次会议,召集量子物理学家与NASA的空间科学家会面,曾有“传言”说,他们有意支持一项实验——但然后就没有然后了。

中国力量

一个孔武有力的新面孔闯入了所有空间技术领域,那就是中国。蔡林格曾经的学生,中国科学技术大学教授潘建伟(Jian-Wei Pan),正领导着一个团队研发量子科学卫星,这将是世界上首个专门用于量子研究的空间探测器。这颗卫星预计于2016年发射升空,进入一条太阳同步轨道:在距离地面600千米的高度上,每天以同一时间掠过地面上的同一地点。

中国科学技术大学的潘建伟,正领导着一个团队研发量子科学卫星,这将是世界上首个专门用于量子研究的空间探测器。图片来源:china.cn

蔡林格也参与了这个项目。该项目的第一个目标,是在北京的中国科学院和维也纳蔡林格所在的研究所之间,通过这颗卫星共享一把量子密匙。这把密匙将用来解码两地之间的加密洲际通信——如果事情进展顺利的话。中国团队的陈宇翱(Yuao Chen)说:“压力与日俱增,我们有许多挑战需要克服。”与加那利群岛的实验不同,光子束与空气分子碰撞带来的干扰应该不足为虑,因为在天地传送的过程中,光子在稠密大气中通过的距离要比地面实验短得多。即便如此,每传输100万个纠缠光子,也有只1个预计能够被探测器捕捉到。

真正的问题在于,这颗卫星将在我们的头顶以8千米/秒的速度飞驰,中国和欧洲的地面观测站每次只能持续跟踪几分钟。这就要求有万无一失的手段,让激光束锁定在飞过的这颗卫星上。潘建伟和他的团队已经开始了热身练习,用一个热气球来模拟空间探测器的振动、随机移动和高度变化,用行驶的车辆上装载的一个转盘来模拟卫星的飞驰而过(详见arxiv.org/abs/1210.7556)。

中国的研究团队还对提高探测器灵敏度的可能性进行了研究,想让它在白天也能够有效地捕捉纠缠光子——这是通向可堪实用的全球量子加密通信网络的决定性一步。“这么多年基础研究之后,我发现这个实验愈加迷人,因为我们是在朝实际应用迈进,”蔡林格说,“这是一场完全不同的游戏。”

或许,这场游戏遵循的是另一套完全未知的规则。“我觉得量子纠缠不会彻底崩溃,”蔡林格说。但是最起码,我们会遇到一些令人揪心的问题。将一对纠缠光子分别发射到两颗彼此之间相对运动的人造卫星上,然后以地球视角为基准“同时”测量它们——结果就是,每颗卫星都会认为,另一颗卫星上的测量发生在先。那么,到底是哪个测量导致了波函数的坍缩呢?

科学家希望,通过实际测量,我们能够找到这个问题的答案,从而更深入地探索量子世界中令人头疼的因果律、量子效应和实在根基。波函数是一个真正的实体吗?它的坍缩是在时间和空间中真实发生的一个过程吗?还是说,它只是我们对量子系统理解有限而不得不采取的一种数学手段,真正的物理过程发生在我们尚未触及的更深层次?爱因斯坦偏爱第二种观点,引发了一场持续至今的学术纷争。正如赖德奥特所说:“如何将波函数的坍缩与我们对实在和因果律的普遍观念协调起来,这仍是一个极具争议的课题。”

另一些人则对量子纠缠能否一直维持下去表示怀疑。2013年2月,澳大利亚昆士兰大学的蒂姆·拉尔夫(Tim Ralph)及其同事公布的一些计算表明,将一对纠缠光子中的一个从地面传送到区区两三百千米的高空,就会出现几百飞秒(1飞秒=10−15秒)的相对论性时间膨胀,已经足以破坏纠缠状态。但计算出来的这些效应,只会对持续时间不超过100飞秒且波形明确的光子短脉冲造成影响。中国团队的初期实验应该不会碰到这个问题,因为实验将使用连续光束,但有必要对此加以注意(详见《物理评论快报》,110卷,060501页)。

为了专门检验纠缠态的稳定性,英国诺丁汉大学的量子理论学家艾薇特·富恩特斯(Ivette Fuentes)和同事提出,可以分析玻色-爱因斯坦凝聚物之间的量子纠缠。玻色-爱因斯坦凝聚体是一大团原子气体,当冷却到非常接近绝对零度时,它们就会表现为一个整齐划一的量子体系。富恩特斯等人的想法是,先让同一轨道上两颗人造卫星中的凝聚体产生纠缠,然后将一颗卫星调整到不同的轨道。计算显示,轨道半径只要改变区区400米,所需的加速度就足以干扰凝聚体,显著破坏它的纠缠状态。而一般卫星在变轨前后,轨道半径会相差60千米左右。这样的干扰足以完全破坏未来的量子通信网中传输的量子信息(详见《物理评论D》,85卷,061701页)。

富恩特斯说:“从理论角度来看,我们已经证明应该会有影响,但我们需要用实验来证实这一点。”为了检验太空中的这些效应,我们就必须进入太空。在地球上,我们受限于“落塔”(drop tower,用来进行自由落体实验以模拟太空微重力环境的垂直高塔)实验,凝聚体在里面只能下落最多大约100米的距离,远远不够。

量子纠缠也不是我们需要在相对论的地盘上仔细检验的唯一一种量子现象。在地面上的光子干涉实验中,单个光子沿着两条等长的路径传输,然后在终点处重新交汇在一起。这个实验似乎已经证明,量子物体能够同时现身于两个不同的位置。这个实验也可以在太空中重复:一条路径可以先从地面直接上传到第一颗人造卫星,接着再转到第二颗卫星;另一条路径则可以先沿着地面传输,然后再上传到第二颗卫星。光子将走过两条其他条件完全相同的路径,只是感受到的平均引力强度存在差异。结果将会如何?

量子纠缠似乎能够无视距离和光速的限制,在测量的一瞬间发生幽灵般的超距作用。但在人造卫星上,当“同时”这个概念都变得相对时,量子纠缠还能继续实验不败的神话吗?图片来源:新科学家

终极奖赏

拉尔夫说,我们不知道结果如何,但这正是关键所在。“可能会出现一些不同的现象。开展这样的实验,检验一切是否真如我们预期的那样进行,这一点非常重要。”他一直在与各国的航天机构,尤其是欧洲和加拿大空间局的研究人员探讨,如何才能实现这样的实验。

除了给未来的量子通信网络铺路之外,寻找量子理论或者相对论的预测偏差,还可能带来一项终极奖赏:让我们有幸首次一窥大统一理论的踪迹——这个理论说不定能够消弭两个理论之间的冲突,最终将它们合二为一。对于大统一理论的框架,理论学家已经提出了诸多猜测,比如弦论,但长久以来人们一直认为,检验这些猜测超出了我们的技术能力允许的范畴。用阿梅利诺-卡梅利亚的话说,“量子引力研究就是一场大混战,所谓最好的理论都是靠大家举手决定的。”

上世纪90年代末,阿梅利诺-卡梅利亚和其他一些科学家率先指出,在空间中进行非常大尺度的量子实验也许能提供可供检验的效应。大多数量子引力理论预言,在普朗克尺度(约10−35米)以下,时空不再像爱因斯坦相对论假设的那样,表现得既平滑而又连续。时空中的这种崎岖不平,会对光子的极化产生一个缓慢积累的效应,使光子的极化随机偏离平衡状态,只是幅度不大。

如果最乐观的模型是正确的,在把极化光子从地面传输到近地轨道人造卫星上的过程中,我们就应该能够看到这种效应。不过,如果最糟糕的情况成真,我们可能要把探测器放到数十亿光年以外,才能有所斩获。阿梅利诺-卡梅利亚说:“我们必须持谨慎的悲观态度:我们只不过打开了一扇窗口;除非机缘巧合,才能天随人愿。”不过,即便得到一个否定答案也可能意义非凡,可以给我们设定一个下限,把那些预言这种效应偏大的理论全部剔除。

但是,只要这些实验中的任何一个有提供反常效应存在证据的可能,那就足以鼓舞阿梅利诺-卡梅利亚去追求这些高悬在我们头顶之上的实验,到相对论的地盘上去检验量子理论了。用他的话来说,“如果真有所得,那就将永载物理史册。”

 

编译自:《新科学家》,Space oddity: Putting quantum weirdness into orbit

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发布于2013-05-15, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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理论物理博士,果壳译者

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