諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
——“遇事不決，量子力學(xué)”

關(guān) 弋

量子力學(xué)從20世紀(jì)初誕生以來(lái)，催生了晶體管、激光等重大發(fā)明，這被科學(xué)界稱為第一次量子革命。近年來(lái)，以量子計(jì)算和量子通信為代表的第二次量子革命興起。瑞典皇家科學(xué)院在諾貝爾獎(jiǎng)公報(bào)中更是公開(kāi)表示，今年3位獲獎(jiǎng)?wù)咴诹孔蛹m纏實(shí)驗(yàn)方面的貢獻(xiàn)，“為當(dāng)前量子技術(shù)領(lǐng)域正發(fā)生的革命奠定了基礎(chǔ)”。

一種新的量子技術(shù)

北京時(shí)間10月4日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?cè)诩m纏光子實(shí)驗(yàn)及量子信息技術(shù)方面所作出的貢獻(xiàn)。3人在2010年就曾同獲沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，因此也一度被學(xué)界看作是本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“熱門選手”。

“越來(lái)越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問(wèn)題。”這是官方給予2022年度3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的頒獎(jiǎng)詞，也是對(duì)量子糾纏這一概念的有力肯定。

量子糾纏，顧名思義是指在量子力學(xué)中處于糾纏態(tài)的兩個(gè)或多個(gè)粒子，即便分開(kāi)很遠(yuǎn)距離，有些狀態(tài)也會(huì)表現(xiàn)得像是一個(gè)整體。“他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路”，也同時(shí)帶動(dòng)了量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子保密通信等方面研究的發(fā)展，甚至為星際傳送提供了理論依據(jù)。

諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)發(fā)布的新聞公報(bào)稱，在量子力學(xué)的發(fā)展歷程上有一個(gè)著名的貝爾不等式，如果它始終成立，那么量子力學(xué)可能被其他理論替代。為此，許多量子科學(xué)家一直在尋找違反貝爾不等式的驗(yàn)證，克勞澤提出了一個(gè)利用處于糾纏態(tài)的光子的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果可以違反貝爾不等式，阿斯佩進(jìn)一步填補(bǔ)了克勞澤實(shí)驗(yàn)中的重要漏洞。蔡林格則進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)，并且其團(tuán)隊(duì)還利用量子糾纏展示了量子隱形傳態(tài)，即有關(guān)量子態(tài)的傳輸。

愛(ài)因斯坦錯(cuò)了嗎？

只要對(duì)本屆諾獎(jiǎng)稍加關(guān)注，那么對(duì)網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)“這一成果證明了愛(ài)因斯坦是錯(cuò)的”等類似說(shuō)法，大概率就不會(huì)感到陌生。那么，愛(ài)因斯坦真的錯(cuò)了嗎？

自量子力學(xué)建立以后，科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的物理解釋和哲學(xué)意義的確一直存在嚴(yán)重的分歧和爭(zhēng)議。其核心在于量子力學(xué)中會(huì)出現(xiàn)“遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)”，即量子糾纏。就以中學(xué)課本上的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為代表，眾所周知的現(xiàn)象是，一束光進(jìn)入兩個(gè)縫軸會(huì)互相干涉，變成條紋。那么，如果一次只允許一個(gè)光子進(jìn)入，是不是光子就不會(huì)發(fā)生干涉了呢？愛(ài)因斯坦就是這么想的。

但結(jié)果證明：即便單獨(dú)發(fā)射，光子依然會(huì)產(chǎn)生干涉。這一現(xiàn)象早就有科學(xué)家用低溫中子進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果說(shuō)明這不是光的性質(zhì)，而是量子的性質(zhì)。而此實(shí)驗(yàn)也同時(shí)證明了一件事：人類或許真的不能用宏觀視角去理解量子概率。光子有過(guò)第一條縫的概率，也有過(guò)第二條縫的概率，即它處在疊加態(tài)。

量子糾纏原理

這一概念曾讓愛(ài)因斯坦非常不安，因?yàn)榀B加態(tài)的坍塌是完全隨機(jī)的，而愛(ài)因斯坦是一位極其崇尚宇宙精妙運(yùn)轉(zhuǎn)之理的唯物主義信徒。在他眼中，“完全隨機(jī)”的理念實(shí)在過(guò)于荒謬，于是他在1926年寫給波恩的信里面，寫出了那句被引用至今的經(jīng)典名言：“上帝不會(huì)擲骰子。”彼時(shí)，對(duì)于那些無(wú)法解釋的情況，愛(ài)因斯坦則認(rèn)為，糾纏中的粒子一定包含了隱藏變量，更進(jìn)一步提出了著名的EPR佯謬：量子力學(xué)沒(méi)有提供對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述。

不是沒(méi)有人嘗試用隱變量理論來(lái)解釋量子糾纏。有人說(shuō)，量子糾纏是世界上最像鬼魅的東西——一個(gè)靜止的粒子突然分裂成兩個(gè)粒子，向兩個(gè)相反的方向飛，但不管如何，根據(jù)動(dòng)量守恒，兩個(gè)粒子之所以糾纏到一起，其動(dòng)量加起來(lái)該正好為零。也就是說(shuō)，如果我們測(cè)出其中一個(gè)粒子的動(dòng)量，這時(shí)另外一個(gè)粒子不管飛出去多遠(yuǎn)，只要保持糾纏態(tài)，不和其他粒子互動(dòng)，它的動(dòng)量豈不就正好相反嗎？但量子力學(xué)的基本原理之一——海森堡原理（也稱作不確定性原理，Uncertainty principle）所述內(nèi)容正是：不可能同時(shí)精確確定一個(gè)基本粒子的位置和動(dòng)量。這便是爭(zhēng)議的關(guān)鍵所在。

再套用本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一阿斯佩舉的一個(gè)例子：如果一對(duì)雙胞胎的眼睛顏色是一樣的，當(dāng)我看到其中一個(gè)人的眼睛是藍(lán)色，那么另一個(gè)人不管身處何處，我都會(huì)知道他的眼睛也是藍(lán)色的。這聽(tīng)起來(lái)是不是理所應(yīng)當(dāng)？但事實(shí)真的如此嗎？量子力學(xué)最神秘的地方就在于，其認(rèn)為在有人觀察到眼睛顏色之前，眼睛的顏色是不確定的，可以理解為其正處在藍(lán)色和黑色的疊加態(tài)，而當(dāng)“觀察”這一動(dòng)作發(fā)生之后，眼睛的顏色坍塌成了藍(lán)色，另外一個(gè)也就相應(yīng)立刻變成了藍(lán)色，而且這種變化是瞬時(shí)完成的，之間的“消息傳遞”是超光速的。

科學(xué)問(wèn)題似乎慢慢走向了哲學(xué)問(wèn)題的方向……直到1964年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·貝爾提出了著名的貝爾不等式才第一次量化了其中理論的證明過(guò)程。如果能通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果違反了貝爾不等式，就意味著量子力學(xué)不能用局域隱變量理論來(lái)加以解釋，即證明愛(ài)因斯坦的認(rèn)知是錯(cuò)誤的。

克勞澤就是世界上第一個(gè)驗(yàn)證貝爾不等式的科學(xué)家。1972年，在加州大學(xué)伯克利分校任職的他與博士生斯圖爾特一起，完成了世界上首次對(duì)違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)觀察。當(dāng)然，這類早期實(shí)驗(yàn)不可避免地存在著顯而易見(jiàn)的漏洞。

于是，1982年，尚在攻讀博士學(xué)位的阿斯佩改進(jìn)了克勞澤的實(shí)驗(yàn)，第一次“用光學(xué)的方法真正把道理講清楚”，再一次驗(yàn)證了貝爾不等式并不成立。

但直到2015年，實(shí)驗(yàn)的漏洞才算被完全“封死”。蔡林格在一系列實(shí)驗(yàn)中，啟用了距離源足夠遠(yuǎn)、快速可切換的偏振器，利用600年前恒星發(fā)出的光來(lái)進(jìn)行測(cè)試，最終完成了“無(wú)漏洞”的違反貝爾不等式驗(yàn)證。

3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主前赴后繼地對(duì)糾纏量子態(tài)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅為基于量子信息的新技術(shù)掃清了障礙，且甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問(wèn)題。

糾纏的量子態(tài)提供了存儲(chǔ)、傳輸和處理信息的新可能性。如果一對(duì)相互糾纏的粒子同時(shí)向相反的方向行進(jìn)，其中一個(gè)粒子與第三個(gè)粒子發(fā)生糾纏，它們將轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的共享態(tài)。此時(shí)第三個(gè)粒子會(huì)失去獨(dú)立性，但它的量子態(tài)屬性會(huì)轉(zhuǎn)移到與它糾纏的粒子上。這種將未知量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子的方式被稱為量子隱形傳態(tài)。

1997年，蔡林格和他的同事通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功傳送了一個(gè)光子的自旋，首次實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)。次年，其研究小組再次突破，首次證明粒子對(duì)間糾纏的交換。

2016年8月16日，中國(guó)發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子號(hào)”。2017年1月18日，這一衛(wèi)星正式開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。而構(gòu)建“墨子號(hào)”的基礎(chǔ)科學(xué)原理，正是蔡林格團(tuán)隊(duì)1997年首次完成的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

許多專家表示，量子信息技術(shù)正處于重大發(fā)展的風(fēng)口浪尖，這意味著量子計(jì)算機(jī)未來(lái)可能比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快地解決現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題，還可能催生更敏感的醫(yī)療診斷工具或更廣泛的安全通信網(wǎng)絡(luò)。也正因如此，愛(ài)因斯坦究竟是不是錯(cuò)了，其實(shí)并不重要。他在1921年榮獲諾貝爾獎(jiǎng)之后，就說(shuō)過(guò)他將用余生去思考光是什么。而15年之后，他說(shuō)自己還是沒(méi)想明白。

再放眼今日世界，量子糾纏到底是什么，其實(shí)我們依然沒(méi)有找到標(biāo)準(zhǔn)答案。本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為世界去掉了一個(gè)錯(cuò)誤選項(xiàng)，但對(duì)“幽靈”般的真相，我們?nèi)砸粺o(wú)所知。有人認(rèn)為光子可以在時(shí)間軸上運(yùn)動(dòng)，從而完成量子糾纏；或者兩個(gè)糾纏的光子其實(shí)是依靠蟲(chóng)洞連接；再或者干脆“簡(jiǎn)單粗暴”地接受量子糾纏就是可以遠(yuǎn)超光速……不過(guò)，至少現(xiàn)在蔡林格還不接受這些答案，他堅(jiān)定地認(rèn)為自己榮獲諾獎(jiǎng)的“完美實(shí)驗(yàn)”依然還不完美。而這才是重要的，就像愛(ài)因斯坦一樣，永遠(yuǎn)在思考，永遠(yuǎn)在追光。