穿越微觀與宏觀的光

苗千

人類需要光、依賴光。

不僅各種宗教典籍多以宇宙中的第一縷光線開篇，現代物理學的開端與發展也始終與光有關，從光的微粒學說和波動學說之爭，延伸至認識到光的波粒二象性，到對于量子糾纏現象的理解，一直發展至量子計算機研究，人類文明的進步與對于光的認識一直緊密相連。

開創了現代物理學的大科學家牛頓在1704年完成巨著《光學》，論證光是由極微小的顆粒構成，他用一塊三棱鏡把一束白光分解為一條彩色的光譜，證明白光是由各種單色光的顆粒所組成，這與當時荷蘭物理學家惠更斯的光波動學說相對立。因為當時牛頓威名赫赫，使得物理學界長期傾向于光的微粒說。

直到大約100年之后，英國物理學家托馬斯·楊用光的雙縫干涉實驗證明了光具有和水波相似的干涉性質，無可置疑地證明了光的波動性質，人類對于光的本性的認識自此產生了180度的轉變，而隨后麥克斯韋提出的電磁學理論，把光、電、磁三種現象統一起來，利用波動方程加以描述，光的波動性質已經完全清晰了。

挽救了光的粒子理論的是愛因斯坦，他通過光電效應提出了光量子假說，認為光的能量是一份一份地被發射和吸收的，這個假說最終得到了證實。到了1927年，保羅·狄拉克證明光子是電磁場與電荷相互作用的量子態激發——人類終于從理論層面認識到光的波粒二象性：光的干涉現象體現了波動性，而對光的吸收和探測則體現了粒子性。粒子的波粒二象性只是微觀世界奇異現象的一部分而已，更令人迷惑的則是微觀世界的量子糾纏現象。

假設一個自旋為0的粒子衰變為兩個自旋為1/2的粒子，這兩個粒子無論相隔多遠都將處于一種糾纏態之中。根據角動量守恒的原則，在任何方向上，這兩個自旋為1/2的粒子的自旋方向將總是相反的（雖然在未被測量之前，這兩個粒子的自旋方向并不確定）——在被測量之前，人類沒有任何機會、任何信息能夠預測兩個粒子的自旋方向。這兩個粒子的自旋狀態實際上是處于向上和向下的疊加態，這種狀態會持續到測量行為的發生。但是測量行為使量子疊加態立刻轉變為一個確定的數值，這兩個粒子無論相隔多遠，對其中一個粒子的測量都會立即使另一個粒子的狀態也從疊加態變成確定態。

自從量子力學誕生之日起，如何理解量子力學就成了一個重要的問題，而理解量子糾纏現象，被大多數物理學家認為是理解量子力學的核心問題。處于糾纏態的粒子狀態并不獨立，而是與另一個相聯系，正如量子力學的創始人之一埃爾文·薛定諤所說：“量子糾纏中有著量子力學的精髓。”量子計算、量子加密和量子傳輸技術都依賴處于糾纏態的粒子之間的相互作用，但是這種在微觀世界中非常普遍的量子糾纏現象至今都無法被處于宏觀世界的人類所理解，這就涉及宏觀與微觀之間的區別，以及如何尋找微觀和宏觀之間的界限。

在1935年，薛定諤就意識到了量子力學在宏觀世界中有著更為復雜的體現，而且把量子力學的理論應用在宏觀世界有可能導致非常奇異的結果，例如生死難辨的“薛定諤的貓”，正是量子疊加態的宏觀體現。“薛定諤的貓”顯然使薛定諤自己也感到迷惑，甚至讓人開始懷疑“真實”的意義。為了某種程度上的自我安慰，在1952年他寫道：“我們從來不會用單個的電子或是原子或是（小）分子做實驗。在假想實驗中，有的時候我們可以設想這樣做，但是這總會無可避免地導致荒謬的結果。”

“真實”元素的缺失說明量子力學并不完備，但是近年來各種越來越精確的貝爾實驗說明量子力學確實打破了愛因斯坦關于定域性的局限，或許微觀世界的“非定域性”和量子糾纏才是“真實”最基本的元素。研究量子糾纏現象，探索微觀與宏觀之間的界限，目前大多數的精密實驗都是利用光子來完成的。光子統計學和光子計數技術的發展讓人們可以真正檢驗經典力學和量子力學在光子概念上的不同，很多此前的思想實驗已經變為現實。實際上，現在人類已經可以利用單個的光子、電子、原子進行實驗，IBM公司甚至利用單個原子組成的圖像拍攝出了世界上最小的電影，這些成就顯然都是薛定諤那一代物理學家所無法想象的，很多假想實驗早已成為現實，但是量子力學所帶來的困惑與那個時代并無太大不同。

在與愛因斯坦關于量子力學本質的爭論過程中，玻爾強調，宏觀與微觀之間的這條分界線必須是可以移動的，人的神經系統也可以被認為是一種量子系統。惠勒對此進行了更清晰的表述：“沒有任何現象算得上是現象，直到它們被記錄下來（被觀測到）。”——這正是哥本哈根學派的觀點，也是目前物理學界的主流觀點。

量子計算技術需要利用到量子糾纏現象，這項技術直指量子力學的本質。定域性、因果律，這些在宏觀世界不可打破的規則在微觀世界不再是不可打破的規律，兩者之間的區別究竟在哪里？量子力學的創始人之一玻爾在量子領域和宏觀領域之間畫出了一條線：測量工具和觀測者屬于宏觀領域，被測量的量子系統在分界線的另一邊。但問題在于，這條分界線的具體位置至今也不清楚。把微觀與宏觀世界之間的分界線推到極致就產生出多重宇宙理論，到了物質世界和意識之間，整個宇宙都是量子態的表述，每一次觀測都會誕生無窮多個宇宙，但這仍然是對于量子力學本質某種意義上的回避。

不僅是進行量子糾纏實驗，在量子通訊和量子計算研究中光也具有重要的作用。光子能夠以最快的速度傳遞信息，而且不容易與周圍環境相互作用發生退相干，相對來說容易進行高精度的操作，因此最合適用來進行通訊。光子之間的相互作用產生了許許多多傳統力學完全無法解釋的現象，對于一種新現象的理解，也就意味著人類可能對于一種新現象加以利用。因此，對于量子計算機的研究很可能幫助人類最終理解量子糾纏現象的本質。

1994年在科羅拉多博爾得舉行的一次原子物理學會議上，牛津大學物理學家阿瑟·厄克特（Artur Ekert）舉行了一次關于量子計算的講座，他的講座啟發了馬克斯普朗克研究所的物理學家伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）和奧地利物理學家彼得·佐勒（Peter Zoller），他們在1995年第一次提出了實現量子處理器的想法，利用一個離子的兩種狀態來實現一個量子比特，但在目前大量的量子計算和量子通信實驗中，人們仍然經常使用易于操作的光子。人類理解光、操縱光的歷史，正在書寫一個新的篇章。