向治霖

愛(ài)因斯坦一定想不到，都已經(jīng)2022年了，他還會(huì)被諾獎(jiǎng)“陰”一把。

2022年諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)，在10月4日頒布。就在開(kāi)獎(jiǎng)前一個(gè)小時(shí)，諾獎(jiǎng)官方推特發(fā)布了愛(ài)因斯坦一條“名人名言”，他是這么說(shuō)的：“我反復(fù)地思考好幾個(gè)月、好幾年，99次的結(jié)論都是錯(cuò)的，但是第100次，我成功了?！?/p>

全球目光聚焦之際，諾獎(jiǎng)提這干嗎？真叫人摸不著頭腦。

一個(gè)小時(shí)后，真相大白。

10月4日17時(shí)40分左右，諾獎(jiǎng)官宣，今年的物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿蘭·阿斯佩教授、約翰·克勞瑟教授、安東·塞林格教授，以表彰他們“用糾纏光子驗(yàn)證了量子不遵循貝爾不等式，開(kāi)創(chuàng)了量子信息學(xué)”。

這就說(shuō)得通了。因?yàn)椤膀?yàn)證量子不遵循貝爾不等式”，就如愛(ài)因斯坦所說(shuō)的，是經(jīng)歷了“99次錯(cuò)誤”的過(guò)程。它涉及我們對(duì)量子糾纏的基本理解，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們對(duì)量子糾纏現(xiàn)象的理論解釋，是完備的、還是有所疏漏的？

這個(gè)爭(zhēng)論持續(xù)良久，不是“好幾個(gè)月、好幾年”，而是持續(xù)了幾十年（63年）。

一直到1998年，物理學(xué)家、今年物理諾獎(jiǎng)得主之一的塞林格完成了貝爾定理實(shí)驗(yàn)，才終于決定性地證明了“量子不遵循貝爾不等式”。這個(gè)過(guò)程的回顧，我們留給后文。

那么，諾獎(jiǎng)的推特發(fā)言，意義就很明顯了：一個(gè)研究取得成功，要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、反復(fù)的思考。愛(ài)因斯坦的上述名言是對(duì)的。

“尷尬”的是，在今年的獲獎(jiǎng)成果上，愛(ài)因斯坦是“99次錯(cuò)誤”的發(fā)起人之一，而走到“第100步”的人，不是他。

愛(ài)因斯坦：別CUE

愛(ài)因斯坦為什么犯錯(cuò)？要回顧這一段歷史，我們得簡(jiǎn)單地理解一點(diǎn)量子理論。

雖然在今天，量子力學(xué)已然是理論的高峰，但是在發(fā)展的早期，它可不受傳統(tǒng)物理學(xué)家們的待見(jiàn)。

要解釋的是，此處的“傳統(tǒng)”不是指固步自封、拒絕新知識(shí)，而是代指物理學(xué)科的一種傳統(tǒng)精神。這種精神認(rèn)為，大自然乃至宇宙，因?yàn)槭窃煳镏鞯慕茏?，所以支配它的?guī)律一定是簡(jiǎn)單的、和諧的，因?yàn)椤吧系鄄蛔鰺o(wú)用的功”。

最典型的例子，莫過(guò)于牛頓三大定律，在當(dāng)時(shí)看來(lái)，宇宙浩渺廣博，卻受到一組簡(jiǎn)單公式的支配，這就是“理性之美”。

然而量子學(xué)說(shuō)的出現(xiàn)，偏偏打破了這一派和諧。

量子的“詭異”，到今天也被人津津樂(lè)道。它是可以處于疊加態(tài)的，典型如“薛定諤的貓”，在生與死兩種狀態(tài)之間，貓可以是活的，可以是死的。這會(huì)讓提出物質(zhì)“第一性質(zhì)”的笛卡爾淚流滿面。

更令“傳統(tǒng)精神”感到詫異的，是對(duì)量子的測(cè)量問(wèn)題。在量子沒(méi)被測(cè)量之前，它處在疊加態(tài)之中，物理量的值有諸多可能。但是，當(dāng)我們選定“基組”測(cè)量后，只能得到一個(gè)結(jié)果，而且此時(shí)的量子“經(jīng)典化”了、不再處于疊加態(tài)?！盎鹕蠞灿汀钡氖?，測(cè)量得到的結(jié)果是概率分布的，這就是說(shuō)，單次測(cè)量的結(jié)果無(wú)法預(yù)知。

看不見(jiàn)、測(cè)不出……量子的物理量特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)物理理論的顛覆可想而知。

克勞瑟發(fā)現(xiàn)了對(duì)于爭(zhēng)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。但他的導(dǎo)師告訴他，不要浪費(fèi)時(shí)間在這種哲學(xué)問(wèn)題上。

不過(guò)，自然科學(xué)的可貴，就在于它是尊重事實(shí)的。物理學(xué)科中，每當(dāng)理論出現(xiàn)不符實(shí)際的情況，就形成“危機(jī)”，而研究者的任務(wù)是“拯救危機(jī)”。拯救的結(jié)果是未知的，但一門學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)，大多由這些成敗中來(lái)。

愛(ài)因斯坦也是“規(guī)律應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單、和諧”的理想主義者（他用相對(duì)論拯救了力學(xué)體系），于是在1935年，他對(duì)量子學(xué)說(shuō)開(kāi)刀了。

1935年，愛(ài)因斯坦與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky和Nathan Rosen，提出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，就是著名的EPR佯謬。

他們瞄準(zhǔn)“量子糾纏”的特性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)假定了兩個(gè)粒子、它們處在糾纏態(tài)，那么根據(jù)量子學(xué)說(shuō)，這兩個(gè)粒子在被觀測(cè)時(shí)，一旦確定一個(gè)粒子的狀態(tài)，就無(wú)需觀測(cè)地獲知另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

他們假定，將兩個(gè)粒子在空間上分開(kāi)，分得任意遠(yuǎn)，那么在測(cè)定一個(gè)粒子狀態(tài)時(shí)，根據(jù)量子學(xué)說(shuō)，觀測(cè)者也能迅速確定另一個(gè)粒子的狀態(tài)。

問(wèn)題出現(xiàn)了：兩個(gè)粒子分開(kāi)很遠(yuǎn)，那么，未被觀測(cè)的粒子，是如何獲知另一個(gè)粒子的狀態(tài)的？而且，這個(gè)粒子“獲知”消息的速度太快，超過(guò)了光速，不符合狹義相對(duì)論。這就是“鬼魅般的超距作用”。

據(jù)此，愛(ài)因斯坦認(rèn)為，量子學(xué)說(shuō)是不完備的，一定有什么別的“變量”被我們疏忽了。

抵達(dá)“第100次”

“EPR佯謬”發(fā)表之后，量子力學(xué)的奠基人之一玻爾坐不住了，他與愛(ài)因斯坦開(kāi)始激烈辯論。

大佬的爭(zhēng)鋒，本文不作過(guò)多涉及，只是需要知道，愛(ài)因斯坦與玻爾當(dāng)時(shí)的爭(zhēng)論，只能停留在哲學(xué)層面，誰(shuí)也不能說(shuō)服誰(shuí)。

一個(gè)有趣的事實(shí)是，今年物理諾獎(jiǎng)得主之一的克勞瑟，在1967年了解“貝爾不等式”之后，發(fā)現(xiàn)了對(duì)于爭(zhēng)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。但他的導(dǎo)師告訴他，不要浪費(fèi)時(shí)間在這種哲學(xué)問(wèn)題上。

不過(guò)克勞瑟是正確的，這場(chǎng)爭(zhēng)論的“救贖之道”就在于貝爾不等式。

愛(ài)因斯坦的“EPR佯謬”被攻破，這也意味著，量子在被觀測(cè)前的物理量客觀確定—這一“局域?qū)嵲谡摗钡挠^點(diǎn)—被推翻了。人類的認(rèn)識(shí)又一次進(jìn)步。

“貝爾不等式”是一個(gè)挺繞的事兒。簡(jiǎn)單來(lái)講，它是由英國(guó)物理學(xué)家貝爾在1967年提出來(lái)的，而貝爾從中發(fā)現(xiàn)，“EPR佯謬”中兩個(gè)粒子的值，在被測(cè)得之前是確定的。這種“物理實(shí)在”的觀點(diǎn)，被稱為局域?qū)嵲谡摚ɑ蚨ㄓ驅(qū)嵲谡摚?/p>

而從局域?qū)嵲谡摰挠^點(diǎn)出發(fā)，貝爾發(fā)現(xiàn)，EPR佯謬中兩個(gè)粒子的某些物理量關(guān)聯(lián)，必然小于等于2，這就是貝爾不等式。

因之，貝爾將“大佬”之間哲學(xué)的爭(zhēng)辯，變成可做實(shí)驗(yàn)證明或證偽的一個(gè)科學(xué)理論。要注意，違反這個(gè)不等式，才意味著量子力學(xué)的勝利。這事兒就是“繞”在這里。

到這一步，今年物理學(xué)家的三位教授就該出現(xiàn)了。他們一步步地嚴(yán)格證明了、驗(yàn)證了量子不遵循貝爾不等式。

1972年，克勞瑟完成第一次貝爾定理實(shí)驗(yàn)。1982年，阿蘭·阿斯佩等人改進(jìn)了克勞瑟的實(shí)驗(yàn)。沒(méi)有意外地，他們都取得了違反貝爾定理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不過(guò)，仍有漏洞未排除。

1998年，安東·塞林格等人徹底排除了定域性漏洞，完成貝爾定理實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)都表明，在很高的置信度下，量子力學(xué)不遵循貝爾不等式。量子力學(xué)贏了。

愛(ài)因斯坦的“EPR佯謬”被攻破，這也意味著，量子在被觀測(cè)前的物理量客觀確定—這一“局域?qū)嵲谡摗钡挠^點(diǎn)—被推翻了。人類的認(rèn)識(shí)又一次進(jìn)步。

歷史就是這樣“幽默”?；仡欉@63年的過(guò)程，“EPR佯謬”本是用來(lái)駁斥量子學(xué)說(shuō)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是，由它開(kāi)辟的道路之下，量子學(xué)說(shuō)卻得到了實(shí)驗(yàn)上的和數(shù)學(xué)上的嚴(yán)格證明。

愛(ài)因斯坦這一錯(cuò)，錯(cuò)得不壞。

“第100次”之后是什么？

文章寫到這里，實(shí)際只涉及了今年物理諾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)理由的一半，另一半則是“開(kāi)創(chuàng)了量子信息科學(xué)”。

理論被證明了，其應(yīng)用也勢(shì)必要搞起來(lái)?！傲孔蛹m纏”乍看下的玄乎，更是充滿科幻色彩。

1997年，塞林格發(fā)表了論文《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》，就是用量子糾纏的特性，實(shí)現(xiàn)“傳送術(shù)”。他們把一個(gè)光子的極化態(tài)（偏振），通過(guò)量子糾纏，傳送到遠(yuǎn)處的另一個(gè)光子上。

值得一提的是，這篇論文的第二作者，正是我國(guó)中科院院士潘建偉。當(dāng)時(shí)，潘建偉在奧地利因斯布魯克大學(xué)讀博士，塞林格是他的導(dǎo)師。

潘建偉告訴媒體，在這些（獲獎(jiǎng)的）研究工作中，中國(guó)科學(xué)家也作出了重要貢獻(xiàn)。“頒獎(jiǎng)委員會(huì)提到了我導(dǎo)師安東·塞林格的四篇量子通信實(shí)驗(yàn)文章。我是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者。”

今年諾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)后，潘建偉告訴媒體，在這些（獲獎(jiǎng)的）研究工作中，中國(guó)科學(xué)家也作出了重要貢獻(xiàn)。“頒獎(jiǎng)委員會(huì)提到了我導(dǎo)師安東·塞林格的四篇量子通信實(shí)驗(yàn)文章。我是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者?！?/p>

諾獎(jiǎng)委員會(huì)尤其提到的，就是量子隱形傳態(tài)的研究，以及對(duì)多量子糾纏態(tài)的特性利用。

“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?！敝Z獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞如此寫道。

糾纏態(tài)的研究，為什么“非常重要”？這就涉及它的一大應(yīng)用、同時(shí)也是諾獎(jiǎng)提到的量子信息科學(xué)的“重頭戲”：量子計(jì)算機(jī)。

我們對(duì)比來(lái)看，在如今，普遍使用的是經(jīng)典計(jì)算機(jī)，它的最小單位是邏輯電路中的“開(kāi)關(guān)”，一個(gè)開(kāi)關(guān)就是一個(gè)比特。我們知道，一個(gè)比特可以表示為1或0，1是開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，0是開(kāi)關(guān)關(guān)閉。因此，計(jì)算機(jī)就是在二進(jìn)制語(yǔ)言下的一臺(tái)超級(jí)計(jì)算器。

量子計(jì)算機(jī)最核心的改變，就是用“量子比特”代替比特。那么，由于量子比特存在的疊加態(tài)特性，一個(gè)量子比特能夠表示更多信息，所以，量子計(jì)算機(jī)具有一定優(yōu)越性。

不過(guò)，“量子計(jì)算的優(yōu)越性”沒(méi)這么容易實(shí)現(xiàn)。我們需要知道三個(gè)方面：

首先，量子計(jì)算機(jī)需要對(duì)量子比特進(jìn)行精確的制備、操作和測(cè)量，這是難點(diǎn)所在。其次，要實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，需要至少超過(guò)100個(gè)量子比特的規(guī)模，這進(jìn)一步增加了難度。最后，量子優(yōu)越性的體現(xiàn)，是在特定的算法上，而非全面的、碾壓式的對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超越。

作為一條新的賽道，各國(guó)早就快馬加鞭，競(jìng)逐起這個(gè)技術(shù)制高點(diǎn)。新的一輪思考又開(kāi)始了：這一次走到“第100次”的，會(huì)是誰(shuí)呢？