介绍
这个月， 三位科学家获得诺贝尔物理学奖 他们的工作证明了量子世界中最违反直觉但最重要的现实之一。 他们表明，两个纠缠的量子粒子必须被视为一个单一系统——它们的状态不可避免地相互交织——即使粒子相隔很远。 在实践中，这种“非局部性”现象意味着你面前的系统可能会瞬间受到千里之外的事物的影响。
纠缠和非局部性使计算机科学家能够创建无法破解的代码。 在一种称为设备无关的量子密钥分发的技术中，一对粒子被纠缠在一起，然后分发给两个人。 粒子的共享属性现在可以用作代码，即使是量子计算机也能保证通信安全——能够突破经典加密技术的机器。
但是为什么要停在两个粒子上呢？ 理论上，有多少粒子可以共享一个纠缠态是没有上限的。 几十年来，理论物理学家一直在设想三路、四路、甚至 100 路的量子连接——这种连接可以实现完全分布式的量子保护互联网。 现在，中国的一个实验室已经同时实现了三个粒子之间的非局部纠缠，这可能会提高量子密码学的强度和量子网络的可能性。
“两党非地方性已经够疯狂了，”说 彼得·比尔霍斯特，新奥尔良大学的量子信息理论家。 “但事实证明，当你有三方时，量子力学可以做的事情甚至超出这个范围。”
物理学家之前纠缠过两个以上的粒子。 记录介于两者之间 14个粒子 和 15万亿，取决于你问谁。 但这些只是在很短的距离内，最多只有几英寸的距离。 为了使多方纠缠对密码学有用，科学家们需要超越简单的纠缠并证明非局部性——“实现的高标准，”说 埃利·沃尔夫（Elie Wolfe），加拿大滑铁卢周界理论物理研究所的量子理论家。
证明非定域性的关键是测试一个粒子的属性是否与另一个粒子的属性相匹配——纠缠的标志——一旦它们相距足够远以至于没有其他任何东西可以产生影响。 例如，一个物理上仍然靠近其纠缠孪生的粒子可能会发出影响另一个粒子的辐射。 但如果它们相距一英里并且几乎是瞬时测量的，那么它们很可能仅通过纠缠联系在一起。 实验者使用一组方程，称为 贝尔不等式 排除对粒子关联属性的所有其他解释。
对于三个粒子，证明非定域性的过程类似，但排除的可能性更大。 这增加了测量的复杂性和科学家必须跳过的数学圈，以证明三个粒子的非局部关系。 “你必须想出一种创造性的方法来解决它，”Bierhorst 说——并且拥有在实验室中创造合适条件的技术。
在 XNUMX 月公布的结果中，中国合肥的一个团队取得了关键性的飞跃。 首先，通过一种特殊类型的水晶发射激光，他们 纠缠 三个光子并将它们放置在研究设施的不同区域，相距数百米。 然后他们同时测量了每个光子的随机属性。 研究人员分析了测量结果，发现三个粒子之间的关系最好用三向量子非定域性来解释。 这是迄今为止最全面的三向非定域性演示。
从技术上讲，其他原因导致结果的可能性很小。 “我们仍然有一些公开的漏洞，”说 顾雪梅，该研究的主要作者之一。 但是通过分离粒子，他们能够排除对其数据最明显的替代解释：物理接近。
作者还将他们的实验基于一个新的， 更严格的定义 三向非局域性在过去几年中获得了广泛关注。 虽然过去的实验允许测量光子的设备之间进行合作，但顾的三个设备无法通信。 相反，他们对粒子进行了随机测量——这一限制在任何通信都可能受到损害的加密场景中很有用，说 雷纳托·雷纳，瑞士苏黎世联邦理工学院的量子物理学家。 （使用旧范式，加拿大团队 证明 2014 年远距离三向非局域性。）
现在遵循新定义的研究人员已经成功地将相距如此之远的粒子纠缠在一起，他们可以专注于进一步扩大距离。
“这是进行更远距离、更大规模实验的重要垫脚石，”说 塞卡特·古哈，亚利桑那大学的量子信息理论家。
Renner 说，最直接的是，这项技术可以为更广泛的量子密钥分发提供动力。 如果你使用纠缠粒子作为加密的关键，物理学家用来测试非定域性的贝尔不等式可以确保你的秘密是完全安全的。 然后，即使你用来发送或接收消息的设备被你最大的敌人恶意操纵，他们也无法确定你的量子密钥。 这些秘密留在你和拥有另一个纠缠粒子的人之间。
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Renner 说，量子密钥分发是“人们兴奋的事情”。 去年， 三个独立的组 在实验室中演示了该协议，尽管规模仍然很小。 这就是为什么三向非局域性如此重要的原因。 “原则上，你拥有更多的加密能力”，因为这些三向连接无法通过将几个双向链接拼凑在一起来模拟。
“这是一种全新的现象，”Bierhorst 说，它可以将独立于设备的密码学从基本的双向通信扩展到整个秘密共享网络。
除了密码学，多方纠缠也为其他类型的量子网络开辟了可能性。 像 Guha 这样的研究人员正在研究一种 量子互联网，它可以像普通互联网连接普通设备一样连接量子计算机。 该系统将通过连接数以百万计的粒子在不同距离上具有不同程度的纠缠，从而汇集许多量子设备的计算能力。 Guha 说，我们拥有这样一个系统的所有独立构建块，但组装它“是一项巨大的工程挑战”。 考虑到这一目标，荷兰的科学家们 成功 在跨越两个独立实验室的网络中纠缠三个粒子——尽管与顾的团队不同，他们并不专注于证明非定域性。
Bierhorst 说，这项关于三向纠缠的工作开始时“只是一个有趣的现象”。 但是“当你拥有量子力学可以做到的事情时，其他方式就不可能做到这一点，这将开启各种新的技术可能性，这些可能性可以以不可预见的方式加以利用。”
目前，一些实验室已经证明了非常靠近的粒子之间的四向非定域性。 “在这一点上，这些实验非常投机。 你必须做出很多假设，”Bierhorst 说。
三向实验仍然依赖于一些假设。 诺贝尔奖获得者花了半个世纪在他们的双向实验中排除了这些漏洞，最终在 2017 年取得了成功。但从那时起，我们在技术上已经取得了长足的进步，Renner 说。
“几十年前发生的事情现在将在一年左右发生，”他说。
