量子纠缠，藏在“谬论”中

向治霖

爱因斯坦一定想不到，都已经2022年了，他还会被诺奖“阴”一把。

2022年诺贝尔自然科学奖物理学奖，在10月4日颁布。就在开奖前一个小时，诺奖官方推特发布了爱因斯坦一条“名人名言”，他是这么说的：“我反复地思考好几个月、好几年，99次的结论都是错的，但是第100次，我成功了。”

全球目光聚焦之际，诺奖提这干吗？真叫人摸不着头脑。

一个小时后，真相大白。

10月4日17时40分左右，诺奖官宣，今年的物理学奖授予阿兰·阿斯佩教授、约翰·克劳瑟教授、安东·塞林格教授，以表彰他们“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。

这就说得通了。因为“验证量子不遵循贝尔不等式”，就如爱因斯坦所说的，是经历了“99次错误”的过程。它涉及我们对量子纠缠的基本理解，简单来说，我们对量子纠缠现象的理论解释，是完备的、还是有所疏漏的？

这个争论持续良久，不是“好几个月、好几年”，而是持续了几十年（63年）。

一直到1998年，物理学家、今年物理诺奖得主之一的塞林格完成了貝尔定理实验，才终于决定性地证明了“量子不遵循贝尔不等式”。这个过程的回顾，我们留给后文。

那么，诺奖的推特发言，意义就很明显了：一个研究取得成功，要经过长时间、反复的思考。爱因斯坦的上述名言是对的。

“尴尬”的是，在今年的获奖成果上，爱因斯坦是“99次错误”的发起人之一，而走到“第100步”的人，不是他。

爱因斯坦：别CUE

爱因斯坦为什么犯错？要回顾这一段历史，我们得简单地理解一点量子理论。

虽然在今天，量子力学已然是理论的高峰，但是在发展的早期，它可不受传统物理学家们的待见。

要解释的是，此处的“传统”不是指固步自封、拒绝新知识，而是代指物理学科的一种传统精神。这种精神认为，大自然乃至宇宙，因为是造物主的杰作，所以支配它的规律一定是简单的、和谐的，因为“上帝不做无用的功”。

最典型的例子，莫过于牛顿三大定律，在当时看来，宇宙浩渺广博，却受到一组简单公式的支配，这就是“理性之美”。

然而量子学说的出现，偏偏打破了这一派和谐。

量子的“诡异”，到今天也被人津津乐道。它是可以处于叠加态的，典型如“薛定谔的猫”，在生与死两种状态之间，猫可以是活的，可以是死的。这会让提出物质“第一性质”的笛卡尔泪流满面。

更令“传统精神”感到诧异的，是对量子的测量问题。在量子没被测量之前，它处在叠加态之中，物理量的值有诸多可能。但是，当我们选定“基组”测量后，只能得到一个结果，而且此时的量子“经典化”了、不再处于叠加态。“火上浇油”的是，测量得到的结果是概率分布的，这就是说，单次测量的结果无法预知。

看不见、测不出……量子的物理量特点，对传统物理理论的颠覆可想而知。

克劳瑟发现了对于争论的实验验证方法。但他的导师告诉他，不要浪费时间在这种哲学问题上。

不过，自然科学的可贵，就在于它是尊重事实的。物理学科中，每当理论出现不符实际的情况，就形成“危机”，而研究者的任务是“拯救危机”。拯救的结果是未知的，但一门学科的新发现，大多由这些成败中来。

爱因斯坦也是“规律应当简单、和谐”的理想主义者（他用相对论拯救了力学体系），于是在1935年，他对量子学说开刀了。

1935年，爱因斯坦与其在普林斯顿的助手Boris Podolsky和Nathan Rosen，提出一个思想实验，就是著名的EPR佯谬。

他们瞄准“量子纠缠”的特性。这个实验假定了两个粒子、它们处在纠缠态，那么根据量子学说，这两个粒子在被观测时，一旦确定一个粒子的状态，就无需观测地获知另一个粒子的状态。

他们假定，将两个粒子在空间上分开，分得任意远，那么在测定一个粒子状态时，根据量子学说，观测者也能迅速确定另一个粒子的状态。

问题出现了：两个粒子分开很远，那么，未被观测的粒子，是如何获知另一个粒子的状态的？而且，这个粒子“获知”消息的速度太快，超过了光速，不符合狭义相对论。这就是“鬼魅般的超距作用”。

据此，爱因斯坦认为，量子学说是不完备的，一定有什么别的“变量”被我们疏忽了。

抵达“第100次”

“EPR佯谬”发表之后，量子力学的奠基人之一玻尔坐不住了，他与爱因斯坦开始激烈辩论。

大佬的争锋，本文不作过多涉及，只是需要知道，爱因斯坦与玻尔当时的争论，只能停留在哲学层面，谁也不能说服谁。

一个有趣的事实是，今年物理诺奖得主之一的克劳瑟，在1967年了解“贝尔不等式”之后，发现了对于争论的实验验证方法。但他的导师告诉他，不要浪费时间在这种哲学问题上。

不过克劳瑟是正确的，这场争论的“救赎之道”就在于贝尔不等式。

爱因斯坦的“EPR佯谬”被攻破，这也意味着，量子在被观测前的物理量客观确定—这一“局域实在论”的观点—被推翻了。人类的认识又一次进步。

“贝尔不等式”是一个挺绕的事儿。简单来讲，它是由英国物理学家贝尔在1967年提出来的，而贝尔从中发现，“EPR佯谬”中两个粒子的值，在被测得之前是确定的。这种“物理实在”的观点，被称为局域实在论（或定域实在论）。

而从局域实在论的观点出发，贝尔发现，EPR佯谬中两个粒子的某些物理量关联，必然小于等于2，这就是贝尔不等式。

因之，贝尔将“大佬”之间哲学的争辩，变成可做实验证明或证伪的一个科学理论。要注意，违反这个不等式，才意味着量子力学的胜利。这事儿就是“绕”在这里。

到这一步，今年物理学家的三位教授就该出现了。他们一步步地严格证明了、验证了量子不遵循贝尔不等式。

1972年，克劳瑟完成第一次贝尔定理实验。1982年，阿兰·阿斯佩等人改进了克劳瑟的实验。没有意外地，他们都取得了违反贝尔定理的实验结果。不过，仍有漏洞未排除。

1998年，安东·塞林格等人彻底排除了定域性漏洞，完成贝尔定理实验。这些实验都表明，在很高的置信度下，量子力学不遵循贝尔不等式。量子力学赢了。

爱因斯坦的“EPR佯谬”被攻破，这也意味着，量子在被观测前的物理量客观确定—这一“局域实在论”的观点—被推翻了。人类的认识又一次进步。

历史就是这样“幽默”。回顾这63年的过程，“EPR佯谬”本是用来驳斥量子学说的一个实验，但是，由它开辟的道路之下，量子学说却得到了实验上的和数学上的严格证明。

爱因斯坦这一错，错得不坏。

“第100次”之后是什么？

文章写到这里，实际只涉及了今年物理诺奖颁奖理由的一半，另一半则是“开创了量子信息科学”。

理论被证明了，其应用也势必要搞起来。“量子纠缠”乍看下的玄乎，更是充满科幻色彩。

1997年，塞林格发表了论文《实验量子隐形传态》，就是用量子纠缠的特性，实现“传送术”。他们把一个光子的极化态（偏振），通过量子纠缠，传送到远处的另一个光子上。

值得一提的是，这篇论文的第二作者，正是我国中科院院士潘建伟。当时，潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学读博士，塞林格是他的导师。

潘建伟告诉媒体，在这些（获奖的）研究工作中，中国科学家也作出了重要贡献。“颁奖委员会提到了我導师安东·塞林格的四篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者，两篇文章的第二作者。”

今年诺奖颁奖后，潘建伟告诉媒体，在这些（获奖的）研究工作中，中国科学家也作出了重要贡献。“颁奖委员会提到了我导师安东·塞林格的四篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者，两篇文章的第二作者。”

诺奖委员会尤其提到的，就是量子隐形传态的研究，以及对多量子纠缠态的特性利用。

“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。”诺奖颁奖词如此写道。

纠缠态的研究，为什么“非常重要”？这就涉及它的一大应用、同时也是诺奖提到的量子信息科学的“重头戏”：量子计算机。

我们对比来看，在如今，普遍使用的是经典计算机，它的最小单位是逻辑电路中的“开关”，一个开关就是一个比特。我们知道，一个比特可以表示为1或0，1是开关开启，0是开关关闭。因此，计算机就是在二进制语言下的一台超级计算器。

量子计算机最核心的改变，就是用“量子比特”代替比特。那么，由于量子比特存在的叠加态特性，一个量子比特能够表示更多信息，所以，量子计算机具有一定优越性。

不过，“量子计算的优越性”没这么容易实现。我们需要知道三个方面：

首先，量子计算机需要对量子比特进行精确的制备、操作和测量，这是难点所在。其次，要实现量子优越性，需要至少超过100个量子比特的规模，这进一步增加了难度。最后，量子优越性的体现，是在特定的算法上，而非全面的、碾压式的对经典计算机的超越。

作为一条新的赛道，各国早就快马加鞭，竞逐起这个技术制高点。新的一轮思考又开始了：这一次走到“第100次”的，会是谁呢？