诺贝尔物理学奖——“遇事不决，量子力学”

关 弋

量子力学从20世纪初诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。近年来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命兴起。瑞典皇家科学院在诺贝尔奖公报中更是公开表示，今年3位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。

一种新的量子技术

北京时间10月4日下午，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖颁给法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在纠缠光子实验及量子信息技术方面所作出的贡献。3人在2010年就曾同获沃尔夫物理学奖，因此也一度被学界看作是本届诺贝尔物理学奖的“热门选手”。

“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题。”这是官方给予2022年度3位诺贝尔物理学奖得主的颁奖词，也是对量子纠缠这一概念的有力肯定。

量子纠缠，顾名思义是指在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子，即便分开很远距离，有些状态也会表现得像是一个整体。“他们的实验结果为基于量子信息的新技术扫清了道路”，也同时带动了量子计算、量子网络和量子保密通信等方面研究的发展，甚至为星际传送提供了理论依据。

诺贝尔奖官网发布的新闻公报称，在量子力学的发展历程上有一个著名的贝尔不等式，如果它始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。为此，许多量子科学家一直在寻找违反贝尔不等式的验证，克劳泽提出了一个利用处于纠缠态的光子的实验，其结果可以违反贝尔不等式，阿斯佩进一步填补了克劳泽实验中的重要漏洞。蔡林格则进行了更多实验，并且其团队还利用量子纠缠展示了量子隐形传态，即有关量子态的传输。

爱因斯坦错了吗？

只要对本届诺奖稍加关注，那么对网络上有关“这一成果证明了爱因斯坦是错的”等类似说法，大概率就不会感到陌生。那么，爱因斯坦真的错了吗？

自量子力学建立以后，科学家对量子力学的物理解释和哲学意义的确一直存在严重的分歧和争议。其核心在于量子力学中会出现“远距离的幽灵行动”，即量子纠缠。就以中学课本上的双缝干涉实验为代表，众所周知的现象是，一束光进入两个缝轴会互相干涉，变成条纹。那么，如果一次只允许一个光子进入，是不是光子就不会发生干涉了呢？爱因斯坦就是这么想的。

但结果证明：即便单独发射，光子依然会产生干涉。这一现象早就有科学家用低温中子进行了验证，结果说明这不是光的性质，而是量子的性质。而此实验也同时证明了一件事：人类或许真的不能用宏观视角去理解量子概率。光子有过第一条缝的概率，也有过第二条缝的概率，即它处在叠加态。

量子纠缠原理

这一概念曾让爱因斯坦非常不安，因为叠加态的坍塌是完全随机的，而爱因斯坦是一位极其崇尚宇宙精妙运转之理的唯物主义信徒。在他眼中，“完全随机”的理念实在过于荒谬，于是他在1926年写给波恩的信里面，写出了那句被引用至今的经典名言：“上帝不会掷骰子。”彼时，对于那些无法解释的情况，爱因斯坦则认为，纠缠中的粒子一定包含了隐藏变量，更进一步提出了著名的EPR佯谬：量子力学没有提供对现实的完整描述。

不是没有人尝试用隐变量理论来解释量子纠缠。有人说，量子纠缠是世界上最像鬼魅的东西——一个静止的粒子突然分裂成两个粒子，向两个相反的方向飞，但不管如何，根据动量守恒，两个粒子之所以纠缠到一起，其动量加起来该正好为零。也就是说，如果我们测出其中一个粒子的动量，这时另外一个粒子不管飞出去多远，只要保持纠缠态，不和其他粒子互动，它的动量岂不就正好相反吗？但量子力学的基本原理之一——海森堡原理（也称作不确定性原理，Uncertainty principle）所述内容正是：不可能同时精确确定一个基本粒子的位置和动量。这便是争议的关键所在。

再套用本届诺贝尔物理学奖得主之一阿斯佩举的一个例子：如果一对双胞胎的眼睛颜色是一样的，当我看到其中一个人的眼睛是蓝色，那么另一个人不管身处何处，我都会知道他的眼睛也是蓝色的。这听起来是不是理所应当？但事实真的如此吗？量子力学最神秘的地方就在于，其认为在有人观察到眼睛颜色之前，眼睛的颜色是不确定的，可以理解为其正处在蓝色和黑色的叠加态，而当“观察”这一动作发生之后，眼睛的颜色坍塌成了蓝色，另外一个也就相应立刻变成了蓝色，而且这种变化是瞬时完成的，之间的“消息传递”是超光速的。

科学问题似乎慢慢走向了哲学问题的方向……直到1964年，英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式才第一次量化了其中理论的证明过程。如果能通过实验验证，测量结果违反了贝尔不等式，就意味着量子力学不能用局域隐变量理论来加以解释，即证明爱因斯坦的认知是错误的。

克劳泽就是世界上第一个验证贝尔不等式的科学家。1972年，在加州大学伯克利分校任职的他与博士生斯图尔特一起，完成了世界上首次对违反贝尔不等式的实验观察。当然，这类早期实验不可避免地存在着显而易见的漏洞。

于是，1982年，尚在攻读博士学位的阿斯佩改进了克劳泽的实验，第一次“用光学的方法真正把道理讲清楚”，再一次验证了贝尔不等式并不成立。

但直到2015年，实验的漏洞才算被完全“封死”。蔡林格在一系列实验中，启用了距离源足够远、快速可切换的偏振器，利用600年前恒星发出的光来进行测试，最终完成了“无漏洞”的违反贝尔不等式验证。

3位诺贝尔物理学奖得主前赴后继地对纠缠量子态进行了开创性实验，实验结果不仅为基于量子信息的新技术扫清了障碍，且甚至超越了解释量子力学的基本问题。

纠缠的量子态提供了存储、传输和处理信息的新可能性。如果一对相互纠缠的粒子同时向相反的方向行进，其中一个粒子与第三个粒子发生纠缠，它们将转化为一个新的共享态。此时第三个粒子会失去独立性，但它的量子态属性会转移到与它纠缠的粒子上。这种将未知量子态从一个粒子转移到另一个粒子的方式被称为量子隐形传态。

1997年，蔡林格和他的同事通过实验成功传送了一个光子的自旋，首次实现了量子隐形传态的实验。次年，其研究小组再次突破，首次证明粒子对间纠缠的交换。

2016年8月16日，中国发射了全球首颗量子科学实验卫星——“墨子号”。2017年1月18日，这一卫星正式开展科学实验。而构建“墨子号”的基础科学原理，正是蔡林格团队1997年首次完成的量子隐形传态实验。

许多专家表示，量子信息技术正处于重大发展的风口浪尖，这意味着量子计算机未来可能比传统计算机更快地解决现实世界的问题，还可能催生更敏感的医疗诊断工具或更广泛的安全通信网络。也正因如此，爱因斯坦究竟是不是错了，其实并不重要。他在1921年荣获诺贝尔奖之后，就说过他将用余生去思考光是什么。而15年之后，他说自己还是没想明白。

再放眼今日世界，量子纠缠到底是什么，其实我们依然没有找到标准答案。本届诺贝尔物理学奖为世界去掉了一个错误选项，但对“幽灵”般的真相，我们仍一无所知。有人认为光子可以在时间轴上运动，从而完成量子纠缠；或者两个纠缠的光子其实是依靠虫洞连接；再或者干脆“简单粗暴”地接受量子纠缠就是可以远超光速……不过，至少现在蔡林格还不接受这些答案，他坚定地认为自己荣获诺奖的“完美实验”依然还不完美。而这才是重要的，就像爱因斯坦一样，永远在思考，永远在追光。