諾貝爾物理學獎
——“遇事不決，量子力學”

關 弋

量子力學從20世紀初誕生以來，催生了晶體管、激光等重大發明，這被科學界稱為第一次量子革命。近年來，以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命興起。瑞典皇家科學院在諾貝爾獎公報中更是公開表示，今年3位獲獎者在量子糾纏實驗方面的貢獻，“為當前量子技術領域正發生的革命奠定了基礎”。

一種新的量子技術

北京時間10月4日下午，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎頒給法國科學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國科學家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利科學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在糾纏光子實驗及量子信息技術方面所作出的貢獻。3人在2010年就曾同獲沃爾夫物理學獎，因此也一度被學界看作是本屆諾貝爾物理學獎的“熱門選手”。

“越來越明顯的是，一種新的量子技術正在出現。我們可以看到，獲獎者對糾纏態的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題。”這是官方給予2022年度3位諾貝爾物理學獎得主的頒獎詞，也是對量子糾纏這一概念的有力肯定。

量子糾纏，顧名思義是指在量子力學中處于糾纏態的兩個或多個粒子，即便分開很遠距離，有些狀態也會表現得像是一個整體。“他們的實驗結果為基于量子信息的新技術掃清了道路”，也同時帶動了量子計算、量子網絡和量子保密通信等方面研究的發展，甚至為星際傳送提供了理論依據。

諾貝爾獎官網發布的新聞公報稱，在量子力學的發展歷程上有一個著名的貝爾不等式，如果它始終成立，那么量子力學可能被其他理論替代。為此，許多量子科學家一直在尋找違反貝爾不等式的驗證，克勞澤提出了一個利用處于糾纏態的光子的實驗，其結果可以違反貝爾不等式，阿斯佩進一步填補了克勞澤實驗中的重要漏洞。蔡林格則進行了更多實驗，并且其團隊還利用量子糾纏展示了量子隱形傳態，即有關量子態的傳輸。

愛因斯坦錯了嗎？

只要對本屆諾獎稍加關注，那么對網絡上有關“這一成果證明了愛因斯坦是錯的”等類似說法，大概率就不會感到陌生。那么，愛因斯坦真的錯了嗎？

自量子力學建立以后，科學家對量子力學的物理解釋和哲學意義的確一直存在嚴重的分歧和爭議。其核心在于量子力學中會出現“遠距離的幽靈行動”，即量子糾纏。就以中學課本上的雙縫干涉實驗為代表，眾所周知的現象是，一束光進入兩個縫軸會互相干涉，變成條紋。那么，如果一次只允許一個光子進入，是不是光子就不會發生干涉了呢？愛因斯坦就是這么想的。

但結果證明：即便單獨發射，光子依然會產生干涉。這一現象早就有科學家用低溫中子進行了驗證，結果說明這不是光的性質，而是量子的性質。而此實驗也同時證明了一件事：人類或許真的不能用宏觀視角去理解量子概率。光子有過第一條縫的概率，也有過第二條縫的概率，即它處在疊加態。

量子糾纏原理

這一概念曾讓愛因斯坦非常不安，因為疊加態的坍塌是完全隨機的，而愛因斯坦是一位極其崇尚宇宙精妙運轉之理的唯物主義信徒。在他眼中，“完全隨機”的理念實在過于荒謬，于是他在1926年寫給波恩的信里面，寫出了那句被引用至今的經典名言：“上帝不會擲骰子。”彼時，對于那些無法解釋的情況，愛因斯坦則認為，糾纏中的粒子一定包含了隱藏變量，更進一步提出了著名的EPR佯謬：量子力學沒有提供對現實的完整描述。

不是沒有人嘗試用隱變量理論來解釋量子糾纏。有人說，量子糾纏是世界上最像鬼魅的東西——一個靜止的粒子突然分裂成兩個粒子，向兩個相反的方向飛，但不管如何，根據動量守恒，兩個粒子之所以糾纏到一起，其動量加起來該正好為零。也就是說，如果我們測出其中一個粒子的動量，這時另外一個粒子不管飛出去多遠，只要保持糾纏態，不和其他粒子互動，它的動量豈不就正好相反嗎？但量子力學的基本原理之一——海森堡原理（也稱作不確定性原理，Uncertainty principle）所述內容正是：不可能同時精確確定一個基本粒子的位置和動量。這便是爭議的關鍵所在。

再套用本屆諾貝爾物理學獎得主之一阿斯佩舉的一個例子：如果一對雙胞胎的眼睛顏色是一樣的，當我看到其中一個人的眼睛是藍色，那么另一個人不管身處何處，我都會知道他的眼睛也是藍色的。這聽起來是不是理所應當？但事實真的如此嗎？量子力學最神秘的地方就在于，其認為在有人觀察到眼睛顏色之前，眼睛的顏色是不確定的，可以理解為其正處在藍色和黑色的疊加態，而當“觀察”這一動作發生之后，眼睛的顏色坍塌成了藍色，另外一個也就相應立刻變成了藍色，而且這種變化是瞬時完成的，之間的“消息傳遞”是超光速的。

科學問題似乎慢慢走向了哲學問題的方向……直到1964年，英國物理學家約翰·貝爾提出了著名的貝爾不等式才第一次量化了其中理論的證明過程。如果能通過實驗驗證，測量結果違反了貝爾不等式，就意味著量子力學不能用局域隱變量理論來加以解釋，即證明愛因斯坦的認知是錯誤的。

克勞澤就是世界上第一個驗證貝爾不等式的科學家。1972年，在加州大學伯克利分校任職的他與博士生斯圖爾特一起，完成了世界上首次對違反貝爾不等式的實驗觀察。當然，這類早期實驗不可避免地存在著顯而易見的漏洞。

于是，1982年，尚在攻讀博士學位的阿斯佩改進了克勞澤的實驗，第一次“用光學的方法真正把道理講清楚”，再一次驗證了貝爾不等式并不成立。

但直到2015年，實驗的漏洞才算被完全“封死”。蔡林格在一系列實驗中，啟用了距離源足夠遠、快速可切換的偏振器，利用600年前恒星發出的光來進行測試，最終完成了“無漏洞”的違反貝爾不等式驗證。

3位諾貝爾物理學獎得主前赴后繼地對糾纏量子態進行了開創性實驗，實驗結果不僅為基于量子信息的新技術掃清了障礙，且甚至超越了解釋量子力學的基本問題。

糾纏的量子態提供了存儲、傳輸和處理信息的新可能性。如果一對相互糾纏的粒子同時向相反的方向行進，其中一個粒子與第三個粒子發生糾纏，它們將轉化為一個新的共享態。此時第三個粒子會失去獨立性，但它的量子態屬性會轉移到與它糾纏的粒子上。這種將未知量子態從一個粒子轉移到另一個粒子的方式被稱為量子隱形傳態。

1997年，蔡林格和他的同事通過實驗成功傳送了一個光子的自旋，首次實現了量子隱形傳態的實驗。次年，其研究小組再次突破，首次證明粒子對間糾纏的交換。

2016年8月16日，中國發射了全球首顆量子科學實驗衛星——“墨子號”。2017年1月18日，這一衛星正式開展科學實驗。而構建“墨子號”的基礎科學原理，正是蔡林格團隊1997年首次完成的量子隱形傳態實驗。

許多專家表示，量子信息技術正處于重大發展的風口浪尖，這意味著量子計算機未來可能比傳統計算機更快地解決現實世界的問題，還可能催生更敏感的醫療診斷工具或更廣泛的安全通信網絡。也正因如此，愛因斯坦究竟是不是錯了，其實并不重要。他在1921年榮獲諾貝爾獎之后，就說過他將用余生去思考光是什么。而15年之后，他說自己還是沒想明白。

再放眼今日世界，量子糾纏到底是什么，其實我們依然沒有找到標準答案。本屆諾貝爾物理學獎為世界去掉了一個錯誤選項，但對“幽靈”般的真相，我們仍一無所知。有人認為光子可以在時間軸上運動，從而完成量子糾纏；或者兩個糾纏的光子其實是依靠蟲洞連接；再或者干脆“簡單粗暴”地接受量子糾纏就是可以遠超光速……不過，至少現在蔡林格還不接受這些答案，他堅定地認為自己榮獲諾獎的“完美實驗”依然還不完美。而這才是重要的，就像愛因斯坦一樣，永遠在思考，永遠在追光。