量子糾纏，藏在“謬論”中
2022-11-17 03:28:47向治霖
南風窗 2022年21期
向治霖
愛因斯坦一定想不到，都已經(jīng)2022年了，他還會被諾獎“陰”一把。
2022年諾貝爾自然科學獎物理學獎，在10月4日頒布。就在開獎前一個小時，諾獎官方推特發(fā)布了愛因斯坦一條“名人名言”，他是這么說的：“我反復地思考好幾個月、好幾年，99次的結論都是錯的，但是第100次，我成功了。”
全球目光聚焦之際，諾獎提這干嗎？真叫人摸不著頭腦。
一個小時后，真相大白。
10月4日17時40分左右，諾獎官宣，今年的物理學獎授予阿蘭·阿斯佩教授、約翰·克勞瑟教授、安東·塞林格教授，以表彰他們“用糾纏光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創(chuàng)了量子信息學”。
這就說得通了。因為“驗證量子不遵循貝爾不等式”，就如愛因斯坦所說的，是經(jīng)歷了“99次錯誤”的過程。它涉及我們對量子糾纏的基本理解，簡單來說，我們對量子糾纏現(xiàn)象的理論解釋，是完備的、還是有所疏漏的？
這個爭論持續(xù)良久，不是“好幾個月、好幾年”，而是持續(xù)了幾十年（63年）。
一直到1998年，物理學家、今年物理諾獎得主之一的塞林格完成了貝爾定理實驗，才終于決定性地證明了“量子不遵循貝爾不等式”。這個過程的回顧，我們留給后文。
那么，諾獎的推特發(fā)言，意義就很明顯了：一個研究取得成功，要經(jīng)過長時間、反復的思考。愛因斯坦的上述名言是對的。
“尷尬”的是，在今年的獲獎成果上，愛因斯坦是“99次錯誤”的發(fā)起人之一，而走到“第100步”的人，不是他。
愛因斯坦：別CUE
愛因斯坦為什么犯錯？要回顧這一段歷史，我們得簡單地理解一點量子理論。
雖然在今天，量子力學已然是理論的高峰，但是在發(fā)展的早期，它可不受傳統(tǒng)物理學家們的待見。
要解釋的是，此處的“傳統(tǒng)”不是指固步自封、拒絕新知識，而是代指物理學科的一種傳統(tǒng)精神。這種精神認為，大自然乃至宇宙，因為是造物主的杰作，所以支配它的規(guī)律一定是簡單的、和諧的，因為“上帝不做無用的功”。
最典型的例子，莫過于牛頓三大定律，在當時看來，宇宙浩渺廣博，卻受到一組簡單公式的支配，這就是“理性之美”。
然而量子學說的出現(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。這會讓提出物質“第一性質”的笛卡爾淚流滿面。
更令“傳統(tǒng)精神”感到詫異的，是對量子的測量問題。在量子沒被測量之前，它處在疊加態(tài)之中，物理量的值有諸多可能。但是，當我們選定“基組”測量后，只能得到一個結果，而且此時的量子“經(jīng)典化”了、不再處于疊加態(tài)。“火上澆油”的是，測量得到的結果是概率分布的，這就是說，單次測量的結果無法預知。
看不見、測不出……量子的物理量特點，對傳統(tǒng)物理理論的顛覆可想而知。
克勞瑟發(fā)現(xiàn)了對于爭論的實驗驗證方法。但他的導師告訴他，不要浪費時間在這種哲學問題上。
不過，自然科學的可貴，就在于它是尊重事實的。物理學科中，每當理論出現(xiàn)不符實際的情況，就形成“危機”，而研究者的任務是“拯救危機”。拯救的結果是未知的，但一門學科的新發(fā)現(xiàn)，大多由這些成敗中來。
愛因斯坦也是“規(guī)律應當簡單、和諧”的理想主義者（他用相對論拯救了力學體系），于是在1935年，他對量子學說開刀了。
1935年，愛因斯坦與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky和Nathan Rosen，提出一個思想實驗，就是著名的EPR佯謬。
他們瞄準“量子糾纏”的特性。這個實驗假定了兩個粒子、它們處在糾纏態(tài)，那么根據(jù)量子學說，這兩個粒子在被觀測時，一旦確定一個粒子的狀態(tài)，就無需觀測地獲知另一個粒子的狀態(tài)。
他們假定，將兩個粒子在空間上分開，分得任意遠，那么在測定一個粒子狀態(tài)時，根據(jù)量子學說，觀測者也能迅速確定另一個粒子的狀態(tài)。
問題出現(xiàn)了：兩個粒子分開很遠，那么，未被觀測的粒子，是如何獲知另一個粒子的狀態(tài)的？而且，這個粒子“獲知”消息的速度太快，超過了光速，不符合狹義相對論。這就是“鬼魅般的超距作用”。
據(jù)此，愛因斯坦認為，量子學說是不完備的，一定有什么別的“變量”被我們疏忽了。
抵達“第100次”
“EPR佯謬”發(fā)表之后，量子力學的奠基人之一玻爾坐不住了，他與愛因斯坦開始激烈辯論。
大佬的爭鋒，本文不作過多涉及，只是需要知道，愛因斯坦與玻爾當時的爭論，只能停留在哲學層面，誰也不能說服誰。
一個有趣的事實是，今年物理諾獎得主之一的克勞瑟，在1967年了解“貝爾不等式”之后，發(fā)現(xiàn)了對于爭論的實驗驗證方法。但他的導師告訴他，不要浪費時間在這種哲學問題上。
不過克勞瑟是正確的，這場爭論的“救贖之道”就在于貝爾不等式。
愛因斯坦的“EPR佯謬”被攻破，這也意味著，量子在被觀測前的物理量客觀確定—這一“局域實在論”的觀點—被推翻了。人類的認識又一次進步。
“貝爾不等式”是一個挺繞的事兒。簡單來講，它是由英國物理學家貝爾在1967年提出來的，而貝爾從中發(fā)現(xiàn)，“EPR佯謬”中兩個粒子的值，在被測得之前是確定的。這種“物理實在”的觀點，被稱為局域實在論（或定域實在論）。
而從局域實在論的觀點出發(fā)，貝爾發(fā)現(xiàn)，EPR佯謬中兩個粒子的某些物理量關聯(lián)，必然小于等于2，這就是貝爾不等式。
因之，貝爾將“大佬”之間哲學的爭辯，變成可做實驗證明或證偽的一個科學理論。要注意，違反這個不等式，才意味著量子力學的勝利。這事兒就是“繞”在這里。
到這一步，今年物理學家的三位教授就該出現(xiàn)了。他們一步步地嚴格證明了、驗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驗。1982年，阿蘭·阿斯佩等人改進了克勞瑟的實驗。沒有意外地，他們都取得了違反貝爾定理的實驗結果。不過，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，完成貝爾定理實驗。這些實驗都表明，在很高的置信度下，量子力學不遵循貝爾不等式。量子力學贏了。
愛因斯坦的“EPR佯謬”被攻破，這也意味著，量子在被觀測前的物理量客觀確定—這一“局域實在論”的觀點—被推翻了。人類的認識又一次進步。
歷史就是這樣“幽默”。回顧這63年的過程，“EPR佯謬”本是用來駁斥量子學說的一個實驗，但是，由它開辟的道路之下，量子學說卻得到了實驗上的和數(shù)學上的嚴格證明。
愛因斯坦這一錯，錯得不壞。
“第100次”之后是什么？
文章寫到這里，實際只涉及了今年物理諾獎頒獎理由的一半，另一半則是“開創(chuàng)了量子信息科學”。
理論被證明了，其應用也勢必要搞起來?！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《實驗量子隱形傳態(tài)》，就是用量子糾纏的特性，實現(xiàn)“傳送術”。他們把一個光子的極化態(tài)（偏振），通過量子糾纏，傳送到遠處的另一個光子上。
值得一提的是，這篇論文的第二作者，正是我國中科院院士潘建偉。當時，潘建偉在奧地利因斯布魯克大學讀博士，塞林格是他的導師。
潘建偉告訴媒體，在這些（獲獎的）研究工作中，中國科學家也作出了重要貢獻。“頒獎委員會提到了我導師安東·塞林格的四篇量子通信實驗文章。我是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者?！?/blockquote>今年諾獎頒獎后，潘建偉告訴媒體，在這些（獲獎的）研究工作中，中國科學家也作出了重要貢獻?！邦C獎委員會提到了我導師安東·塞林格的四篇量子通信實驗文章。我是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者?！?/p>
諾獎委員會尤其提到的，就是量子隱形傳態(tài)的研究，以及對多量子糾纏態(tài)的特性利用。
“越來越明顯的是，一種新的量子技術正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎者對糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題?！敝Z獎頒獎詞如此寫道。
糾纏態(tài)的研究，為什么“非常重要”？這就涉及它的一大應用、同時也是諾獎提到的量子信息科學的“重頭戲”：量子計算機。
我們對比來看，在如今，普遍使用的是經(jīng)典計算機，它的最小單位是邏輯電路中的“開關”，一個開關就是一個比特。我們知道，一個比特可以表示為1或0，1是開關開啟，0是開關關閉。因此，計算機就是在二進制語言下的一臺超級計算器。
量子計算機最核心的改變，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，一個量子比特能夠表示更多信息，所以，量子計算機具有一定優(yōu)越性。
不過，“量子計算的優(yōu)越性”沒這么容易實現(xiàn)。我們需要知道三個方面：
首先，量子計算機需要對量子比特進行精確的制備、操作和測量，這是難點所在。其次，要實現(xiàn)量子優(yōu)越性，需要至少超過100個量子比特的規(guī)模，這進一步增加了難度。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、碾壓式的對經(jīng)典計算機的超越。
作為一條新的賽道，各國早就快馬加鞭，競逐起這個技術制高點。新的一輪思考又開始了：這一次走到“第100次”的，會是誰呢？
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