回答愛(ài)因斯坦未能解答的問(wèn)題

蔡林格教授是我留學(xué)奧地利時(shí)的博士生導(dǎo)師。實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)是我在蔡林格教授的指導(dǎo)下與同事合作完成的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作。1997年底，這一工作以《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》為題刊登在了《自然》雜志上。后來(lái)在1999年，這篇論文同有關(guān)發(fā)現(xiàn)X射線、建立相對(duì)論等影響世界的重大研究成果的論文一起，被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

這一實(shí)驗(yàn)工作具有劃時(shí)代的意義，它不僅被認(rèn)為是量子信息實(shí)驗(yàn)研究的開(kāi)山之作，而且對(duì)于中國(guó)的量子信息發(fā)展也有著不尋常的意義：從那時(shí)起，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界的主流意見(jiàn)基本停止了對(duì)量子信息的質(zhì)疑，為這一新興領(lǐng)域在我國(guó)的蓬勃發(fā)展打開(kāi)了局面。

結(jié)束在奧地利的學(xué)習(xí)和工作后，我回到中國(guó)獨(dú)立開(kāi)始了量子信息的研究，從蔡林格教授的學(xué)生變成了他的同行。我們?cè)诓煌膰?guó)度同時(shí)開(kāi)展量子信息研究，友好地合作和競(jìng)爭(zhēng)。特別是當(dāng)中國(guó)的科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)通過(guò)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和地面光纖干線將量子通信推進(jìn)到數(shù)千公里的規(guī)模之后，全世界都感受到量子信息，特別是量子通信已經(jīng)開(kāi)始從人類的夢(mèng)想走向現(xiàn)實(shí)。

蔡林格教授和另外兩位教授阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤一起獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的獲獎(jiǎng)理由是：“利用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確立對(duì)貝爾不等式的違背并開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)。”非常巧合的是，這恰恰是本書題目中的三個(gè)關(guān)鍵詞——愛(ài)因斯坦、光子、量子隱形傳態(tài)——所要告訴我們的故事。

我試著對(duì)這個(gè)故事的脈絡(luò)進(jìn)行了一下梳理。愛(ài)因斯坦最廣為人知的成就是提出了相對(duì)論，他對(duì)量子力學(xué)的建立同樣功不可沒(méi)。他提出的光量子假說(shuō)是量子力學(xué)的基本概念之一。盡管如此，由于對(duì)該框架并不滿意，他還是開(kāi)始質(zhì)疑量子力學(xué)本身的完備性。

這里我先借用“薛定諤的貓”簡(jiǎn)要介紹一下量子疊加和量子糾纏的概念。日常生活中，我們知道一只貓只能處于“死”或者“活”兩種狀態(tài)之一。但是根據(jù)量子力學(xué)，對(duì)于微觀世界的一只“貓”，它在某些特定條件下就可以處于一種“死”和“活”的相干疊加狀態(tài)，換句話說(shuō)，在這種狀態(tài)下，貓的生死是完全不確定的。這種不確定性是內(nèi)秉的，并不能隨著觀測(cè)手段的提升而變得確定，這就是所謂的“上帝擲骰子”。

雖然量子疊加的概念與我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)相比非常奇怪，但如果把量子疊加擴(kuò)展到多體系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致一種更奇怪的現(xiàn)象，那就是量子糾纏。仍然用貓來(lái)打比方，在量子世界中的兩只貓，甚至可以處于“活活”和“死死”兩種狀態(tài)的相干疊加。在這種狀態(tài)下的兩只貓，盡管每一只貓的生死都是不確定的，但如果我們?nèi)ァ翱础逼渲幸恢回埐l(fā)現(xiàn)它是活的，那么另一只貓會(huì)瞬間“坍縮”到“活”的狀態(tài)，反之亦然，即使這兩只貓已經(jīng)分隔非常遙遠(yuǎn)。也就是說(shuō)，這兩只貓的生死狀態(tài)存在完美的關(guān)聯(lián)，就仿佛是“糾纏”在一起一樣，這正是量子糾纏一詞的由來(lái)。

顯然，愛(ài)因斯坦不滿意量子力學(xué)竟然可以允許這種奇怪現(xiàn)象的存在，于是他和兩位同事在1935年發(fā)表的一篇著名論文中進(jìn)行了一番推理：首先假設(shè)愛(ài)麗絲和鮑勃兩個(gè)人分別去觀測(cè)這兩只貓的生死狀態(tài)。如果他們觀測(cè)的時(shí)間間隔非常短，以至于宇宙中飛行速度最快的光都來(lái)不及在愛(ài)麗絲和鮑勃之間對(duì)觀測(cè)結(jié)果“通風(fēng)報(bào)信”，那么他們各自的觀測(cè)結(jié)果便是完全獨(dú)立的，這在物理學(xué)上被稱為“類空間隔”；其次，即使是類空間隔，利用量子糾纏觀測(cè)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，也可以根據(jù)愛(ài)麗絲的觀測(cè)結(jié)果立即精確預(yù)言出鮑勃的觀測(cè)結(jié)果。例如，愛(ài)麗絲如果看到她那邊的貓是“活”的，她可以立即確定，鮑勃若去看他那邊的貓，那也一定是“活”的，反之亦然。

因此，對(duì)于兩個(gè)完全獨(dú)立的觀測(cè)事件，愛(ài)麗絲可以精確預(yù)言鮑勃每一次的觀測(cè)結(jié)果，這只能解釋為：鮑勃的觀測(cè)結(jié)果是在被進(jìn)行觀測(cè)前就已經(jīng)確定好的，根本不是量子力學(xué)所描述的那樣是“不確定的”。這就是愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的“定域?qū)嵲谛浴薄?/p>

然而，尼爾斯·玻爾等人堅(jiān)持的量子力學(xué)認(rèn)為：在對(duì)貓進(jìn)行觀測(cè)前，它們的生死狀態(tài)是不確定的。一旦愛(ài)麗絲進(jìn)行了觀測(cè)，她那只貓的生死狀態(tài)就被確定，同時(shí)鮑勃那只貓的生死狀態(tài)也確定了，不管這兩只貓相距多么遙遠(yuǎn)。這就是“量子力學(xué)非定域性”。

盡管兩種觀點(diǎn)完全不同，但都能夠解釋量子糾纏觀測(cè)結(jié)果的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，因此這一爭(zhēng)論暫時(shí)只能停留在哲學(xué)層面。

一直到1964年，北愛(ài)爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾提出了貝爾不等式，才提供了通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)這兩種觀點(diǎn)孰是孰非的可能。簡(jiǎn)言之，對(duì)兩個(gè)粒子的各種測(cè)量結(jié)果可以組合出一個(gè)不等式，如果“定域?qū)嵲谛浴闭_，那么這個(gè)不等式一定成立；反之，如果違背貝爾不等式，那么愛(ài)因斯坦的“定域?qū)嵲谛浴本湾e(cuò)了。而按照量子力學(xué)的預(yù)言，從量子糾纏態(tài)出發(fā)，可以找到某種組合違背貝爾不等式。

接下來(lái)就是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了。從20世紀(jì)70年代起，以蔡林格教授等三位諾獎(jiǎng)得主為代表的物理學(xué)家們開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)，越來(lái)越嚴(yán)格地驗(yàn)證了對(duì)貝爾不等式的違背，從而證明了量子力學(xué)的正確性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證貝爾不等式被違背，物理學(xué)家們發(fā)展出了主動(dòng)精確操縱量子狀態(tài)的技術(shù)，使得人們可以利用量子狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的編碼、調(diào)制、傳輸和測(cè)量，從而催生了一門全新的學(xué)科：量子信息。量子信息可以提供原理上無(wú)條件安全的通信、超快的并行計(jì)算能力，以及超高的測(cè)量精度，將為信息科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)，乃至探索宇宙的奧秘帶來(lái)革命性的突破，現(xiàn)已成為當(dāng)今物理學(xué)發(fā)展最前沿的領(lǐng)域之一。還可以看出，從愛(ài)因斯坦提出光量子假說(shuō)，到愛(ài)因斯坦用“光子盒”等各種思想實(shí)驗(yàn)與玻爾爭(zhēng)論，到制備并操縱光子的糾纏，再到實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，從概念到實(shí)踐，光子在整個(gè)量子力學(xué)以及量子信息的發(fā)展歷程中都扮演著極為重要的角色，這可能正是本書命名為《光子之舞》的原因。

（源自《北京日?qǐng)?bào)》，有刪節(jié)）

責(zé)編：潘茜