糾纏不休的量子糾纏

勞倫斯·M.+克勞斯

物理學中沒有比量子力學更讓公眾和物理學家感到困惑的領域了。一方面，量子力學創造了現代神話，很多人就此兜售理論，自圓其說；另一方面，對唯心主義者來說，量子力學讓他們看到了原本客觀的物質宇宙中存在自由意志的希望。在讓物理學家感到困惑和挫敗的所有因素中，量子糾纏首屈一指，被愛因斯坦嘲弄地稱為“鬼魅似的遠距作用”。

無論愛因斯坦承認不承認，量子糾纏的確是存在的。前段時間，荷蘭的研究者證實了這點，也正應了萬圣節的景。研究再次證明了看起來撲朔迷離的量子力學，其運行方式是完全能被測試的。

要解釋什么是“鬼魅的糾纏”，我們可以先退到現實世界中，看現實中可以觸摸到的常規物體被分離的狀態（傳統物體個體太大、和周邊環境的相互作用太大，所以體現不出量子力學的作用）。比如引爆器和炸彈，如果我把它們置于道路兩側并激活引爆器，引爆器會以低于或者相當于光速的速度發出信號引爆炸彈，炸彈也只有在接到信號之后才會爆炸。

然而量子糾纏理論認為，若將事先準備好的物體置于同一量子態，即使它們處于星系的兩端，這些物體也能保持“糾纏”狀態，只要這些物體不與其他物體發生相互作用就行。如果人們對處于糾纏狀態的一個物體進行測量，另一個物體會瞬間受到影響，無論它們之間的距離有多么遙遠。

此現象看起來也沒有那么“鬼魅”。比如，如果把一模一樣的雙胞胎放到兩個星系，我看到雙胞胎之一的頭發是紅色的，會立即斷言另一個也長著紅頭發。真正的“鬼魅”之處在于量子力學里面的測量過程。

我們用一對電子來舉例。電子的運動模式為自旋，再加上它們攜帶一個電荷，因此更像小小的磁體。這就意味著使用電磁輻射就可能控制它們的自旋。我們可以設置這兩個電子，使其圍繞同一軸線朝不同的方向旋轉，即“反向排列”。

現在我要對其中一個軸端的電子進行測量。如果此電子的旋轉方向為A 方向，把它作為一個磁體來看，其北極所指的方向為“上”；如果其旋轉方向為B 方向，那么北極指向的方向為“下”。因為這對電子自旋的方向是相反的，所以如果我發現一個電子的旋轉方向為“上”，那么就可推斷另一個肯定指向 “下”。

但這僅僅是個假設。量子力學認為，任何一個電子的自旋方向在測量之前都不確定，唯一確定的是這兩個電子旋轉方向相反。更為奇異的是，在測量之前，兩個電子同時上下移動。它們被測量的狀態是有概率的：當其中一個電子被測量時，只有50%的概率被“固定”為“上旋”或者“下旋”。因為兩個電子處于一個量子態，它們相互糾纏，當我測量一個電子的自旋方向時，就會決定另一個電子的自旋方向，正如如果投擲一枚硬幣正面朝上，就決定了投擲另一枚時肯定反面朝上。

只要兩個電子保持糾纏，這種關聯就會持續，即使它們處于星系的兩端。如果我在實驗室測量一個電子，另外一個電子會瞬間受到影響——盡管這兩者之間相隔數千光年。

這種瞬時的相互作用就是“鬼魅似的遠距作用”，愛因斯坦對此嚴重質疑。在愛因斯坦時代，糾纏僅是量子力學的一個推測，并沒有人真正測試到。1935年，愛因斯坦和兩位合作者，波多爾斯基和羅森共同撰寫論文批判量子糾纏的荒謬（EPR 佯謬）。他們指出，如果量子力學做出如此預測，那么量子力學整個體系都是錯誤的，因為能做出這種預測的體系不可能正確描述宇宙。

愛因斯坦和他的合作者根據常規思維，認為既然把兩個電子都分離，那它們就是兩個獨立物體。但是從量子力學的角度來看，無論相距多遠，這兩個電子都是同一量子態的一部分。的確，量子力學認為在我們測量任何一個電子之前，它的位置都是無法確定的，從某種意義上來說，它可能隨時處于任何位置。

多年來，很多物理學家已經對愛因斯坦的質疑做出解釋。他們提出，有一種不為人知的隱變量使得實驗結果呈現出糾纏的現象。比如，也許實驗室的設置會預先決定電子的自旋方向。這種猜測把物理學家帶入窘境：我們如何知道這種隱變量不存在呢？

1964年，物理學家約翰·貝爾發表了一篇精彩的論文，證明如果進行科學嚴密的糾纏實驗，就可以對粒子進行一系列的測量，得到一個定量分析結果，此結果正是傳統理論中的隱變量無法解釋的，由此排除了隱變量的存在。在過去的半個世紀中，很多研究團隊使用貝爾定理來證明量子力學中的糾纏是真正存在的。但是，對此持懷疑態度的物理學家指出，在任何一個實驗中都會存在不易覺察的漏洞。有人認為，被分離的系統可能實際上以隱秘的方式結合在一起。

近日，荷蘭代爾夫特理工大學的物理學家漢森及其研究團隊有了新的突破。他們專門 設計了實驗來消除人們對量子糾纏的質疑，并把實驗結果公布于眾。在實驗中，他們同時測量相距1.3千米的一對糾纏電子——這是一個足夠遠的距離，任何信號，即使以光速傳播，也不可能從一個檢測器到達另一個檢測器來干擾測量結果。他們還設計出一種方法，可以獨立檢測被測量的電子是處于糾纏狀態的。實驗的這兩個方面有重大創新意義，消除了先前實驗被質疑的主要漏洞。毋庸置疑，新的實驗結果與量子力學和貝爾定理的預測完全

一致。

現在，量子糾纏基本被認為是被論證了的——至少在證明代夫特理工大學的實驗仍有漏洞的確鑿證據出現之前（實際上已經有人開始著手找了）。即使有人又發現漏洞，其他研究人員也一定會設計出更先進、更科學的實驗來消除漏洞，維護貝爾定理。這種指出漏洞、消除漏洞的循環周而復始，直到沒有任何漏洞——或者有人認為那些漏洞太離譜，根本不值得去研究。

對此我非常自信。對糾纏的“鬼魅性”做出直接測量是非常必要的，實際上我們早已相信量子力學是在最微觀、最基本的層面對世界做出的正確描述。我們的生活與其息息相關，很多現代技術也建立在其基礎之上。用來控制手機、電腦、汽車和其他電子設備的半導體晶體管就建立在電子學的量子力學原則之上，這些原則間接依賴于代爾夫特理工大學實驗證實的鬼魅的量子糾纏。所以，不論鬼魅與否，我們的生活都在很大程度上依賴于量子力學。

但量子糾纏是如此不可思議，以至于理解起來很容易產生荒謬的結論。比如，迪派克·庫伯拉一直認為，量子力學意味著如果脫離了意識，客觀世界就不復存在。但實際上，意識與測量行為毫無關系，測量完全可以由機器甚至光子來進行。如果意識如此重要，我們寫實驗結果時就要把實驗師的內心活動也包括進去。比如說，我們需要知道他們在做實驗時是否想著一場艷遇。但我們不需要。無論實驗室里面有沒有人，機器都會記錄數據、打印結果，這些打印出的結果也不會因為人回到實驗室而發生改變。

普利策新聞獎獲得者瑪麗蓮· 魯濱孫曾寫文章質疑現代科學的本質和實用性。她在文章中提出，量子糾纏“動搖了人們對時間和空間最基本的理解，也就是對因果性的理解”，“如此一來，人們就會質疑科學解釋現實的能力”。其實她有這種錯誤的想法也不難理解：對一個眼前的電子進行測量會即刻影響到對宇宙另一端的另一個電子的測量，穿行速度超過光速，這種理論看起來的確否定了因果論，也就是人們對時間和空間的常規理解。

但是量子力學的內容遠非如此簡單。自然界有一個廣泛的悖論：讓我們的兩個實驗人員一個身處地球，一個遠在銀河系邊緣的空間站，分別測量糾纏電子的自旋。他們的測量結果是沒有任何一個跨越幾千光年的測量標準來衡量的。他們都會測量到電子“上旋”或者“下旋”，但是無法說明電子的自旋與別處的電子相關。唯一可以證明電子之間有相互作用的方法是實驗人員互相交流，但是通訊速度最快也超不過光速。糾纏電子之間瞬間產生相互影響，但這個過程沒有可以即刻探測到的信號。要探測這個過程，還是要遵循因果關系的基本理論。

量子力學揭示了自然界最微小層面上的鬼魅之處。如果我們留意觀察，就可以感受到這種詭異性。但量子力學并非預示著世事難料，在量子力學時代，決定宇宙的基本規律并沒有消失。量子糾纏理論最大的鬼魅之處莫過于它和我們對宇宙的宏觀理解可以完美對接。