物理学奖：从量子纠缠到量子计算

“对我来说，可以把量子纠缠比喻为同卵双胞胎——具有相同基因的两个人。双胞胎具有完全相同的基因，因此看上去完全一样，所以当我看到其中的一个人，那么我立即就知道了另外一个人的特性也与我看到的这个人完全一样——比如说眼睛的颜色——无论双胞胎中的另一个身在何处。

“如果这是两个处于量子纠缠状态的双胞胎，那么就存在一个问题：并没有基因可以决定一对处于量子纠缠态的双胞胎的眼睛颜色，它们是不确定的，当我看到其中一个，我所看到的它的眼睛的颜色是随机的，同时另外一个的眼睛也获得了相同的颜色——无论它距离我有多远。

“我们通过很多次的不同种类的实验明白了，这种量子纠缠现象，没有办法通过一种所谓的‘基因的隐藏属性’来解释，同样也不能通过双胞胎之间存在着某种通信来解释，因为它们之间沟通的‘速度’远超光速。因此我们没有办法通过常理，利用日常的语言来解释这种现象，但是我们可以通过数学来解释这种现象，这就是量子力学。”

2018年9月，在安东·蔡林格（Anton Zeilinger）教授的办公室里，他这样向我解释“量子纠缠”（quantum entanglement）。这位物理学家一生都致力于利用量子纠缠现象进行各种物理学实验。在2022年10月，他与另外两位科学家，法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）和美国科学家约翰·克劳泽（John Clauser），共同获得了物理学界的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。

几十年来，这三位科学家一直通过不同的手段，从不同角度利用量子纠缠现象进行实验，可谓承上启下。他们的工作不仅加深了人类对于量子世界的理解，也为人类进行量子加密和量子计算等领域的研究奠定了基础。

所谓“承上”，指的是这几位科学家的工作缘起于两位量子力学领域的奠基人——爱因斯坦和波尔关于量子力学本质的争论。他们虽然同为量子力学领域的开拓者，但是后来对待量子力学的态度却截然不同。其中一个重要原因就在于当人们深入到微观世界，研究量子世界物质的行为时，发现了一种令人迷惑的现象，即量子纠缠。也就是说，两个甚至是多个粒子可能形成一种“纠缠态”。无论它们彼此相隔多远，处于纠缠态的粒子之间的状态都会相互影响。

另外一个关键之处在于，在我们日常生活的宏观世界中，物体的状态都是确定的。比如一个人眼睛的颜色不会改变。对于一对同卵双胞胎来说，只要见到其中一人，自然就可以判断出另一个人的眼睛颜色。但是在量子世界，粒子的状态并不是一成不变的，这还与人们对其进行的观测有关，最终呈现出哪种状态，是由概率所决定的。也就是说，人们无法实现预测一个粒子被观测后的状态，最多只能判断出现各种状态的可能性。对于一对处于纠缠态的粒子来说，如果有人对其中的一个粒子进行观测，那么这个粒子会立刻从不确定量子态转变为具有一个确定数值的状态。最令人迷惑不解之处在于，另外一个与之量子纠缠的粒子，无论相距多远，也会同时呈现出确定状态。

可以说人们至今对于这种现象的本质仍然不充分理解。这也引起了爱因斯坦和玻尔之间长时间的争论。对于爱因斯坦来说，他感到无法理解，因此称这种现象为“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）。对于爱因斯坦来说，宇宙中最快的速度是光速，而处于纠缠状态的粒子之间这种“通信”实际上是一种瞬时作用，这说明人类对于量子力学的理解还不完备，这些粒子可能有人们还没有发现的“隐变量”。波尔的态度则完全相反，他认为量子纠缠现象虽然与人们日常生活的经验相悖，但这也是自然规律的一部分，人类对于量子力学的理解是完备的，并不存在所谓的隐变量。

从20世纪30年代初开始，在爱因斯坦和玻尔这两位科学巨人之间，关于量子纠缠现象以及对于量子力学的理解，开始了一场旷日持久，也是科学史上最著名的争论。在1935年，爱因斯坦与两位合作者发表论文《对物理实在的量子力学描述是完备的吗？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete？），成为物理学界最著名的论文之一。后人于是也将爱因斯坦与波尔两人的争论称为“EPR悖论”（EPR分别是这篇论文三位作者名字的首字母）。

究竟该如何解决这场争论？直到这两位科学巨人去世之后，物理学家约翰·贝尔（John Bell）才提出了一个可行的解决方法。为了验证量子力学的完备性，在微观领域究竟是概率性还是决定性的，是否存在局域因变量，贝尔提出了一个著名的不等式，后来人们称之为“贝尔不等式”（Bell inequality）。最关键之处在于，人们可以通过切实的实验来对这个不等式进行验证——如果不等式成立，说明量子力学是确定性的，爱因斯坦的观点正确；反之如果不等式被打破，则说明量子力学在本质上是概率性的，也就是说波尔的观点正确。

这场科学史上最著名的争论，从理论和哲学层面进入到了试验阶段。实验物理学家们开始展露身手。从20世纪60年代开始一直至今，物理学家们一步步推进验证贝尔不等式的实验，不仅证明了量子力学在本质上是概率性的——玻尔最终赢得了这场争论——而且也大大提高了人类在微观领域操纵微观粒子的能力，加深了人类对于物质量子状态的理解。这些成就也成为如量子信息、量子加密和量子计算等如今热门研究领域的基础。在这几十年时间里进行量子纠缠实验的科学家中，可以说今年的三位诺贝尔物理学奖得主阿斯佩、克劳泽和蔡林格的贡献最为突出，他们如今获得物理学界的最高荣誉当之无愧。

克劳泽原本在哥伦比亚大学进行分子天体物理学研究，在1969年博士毕业之后开始进行基础物理学研究。1972年在加州伯克利大学做博士后时，克劳泽与斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作，利用钙原子进行了第一次关于贝尔不等式的实验，这也是人类第一次观察到量子纠缠（后来人们称之为弗里德曼－克劳泽实验，Freedman–Clauser experiment）。他们的实验结果清晰地显示出贝尔不等式被破坏了——这说明人类对于量子力学的理解是完备的，量子力学中并不存在隐变量，波尔是正确的。

物理学家们关于贝尔不等式的实验并未结束，而是刚刚开始。在20世纪70年代因为实验手段的限制，这些实验在理论上还存在着一些漏洞。接下来人们要做的就是不断提高实验技术，进行各种各样越来越精密的实验，操纵微小的粒子，对微观世界进行越来越仔细的观察。

为了堵住弗里德曼－克劳泽实验中关于定域性的一些理论漏洞，阿斯佩与合作者们在1981年和1982年间进行了一系列引人注目的工作。他们改进了实验设置，利用激光进行了精度更高的实验——这一次的结果更加明确，贝尔不等式被明确无误地破坏了。大自然在微观领域，确实是概率性的。[实际上，在现实中做的关于贝尔不等式的验证实验一直都存在某些方面的理论漏洞，物理学家也不断通过更先进的实验进行弥补，直到2015年才由荷兰物理学家罗纳德·汉森（Ronald Hanson）完成了“无漏洞贝尔不等式验证”。]

随着人类对于量子世界的操控能力越来越强，人们开始意识到，有可能利用处于纠缠状态的粒子进行实际应用。量子信息（quantum information）、量子加密（quantum encryption）和量子计算（quantum computing）等概念开始出现。从20世纪90年代开始，维也纳大学的蔡林格与合作者们进行的一系列关于“量子隐态传输”（quantum teleportation）的实验让人们认识到，利用量子纠缠态以及量子力学的基本原理，可以发展出一种全新的量子技术。

在最近新兴的量子信息和量子通信等研究领域，中国正处于世界领先位置。这方面研究的领军人物——著名物理学家潘建伟，在博士研究期间正是师从蔡林格教授。在诺贝尔委员会对这三位诺奖得主工作的介绍中，也提到了由潘建伟主导的“墨子号量子实验卫星”的工作。“墨子号”于2016年8月升空，在太空和地面之间进行量子纠缠实验。在2018年，通过“墨子号”，中国兴隆站与奥地利格拉茨之间形成了相距7600公里的量子秘钥分发，并且利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。可以说，没有这几位诺贝尔奖得主先驱性的贡献，量子通信就不会成为现实。正如《科学》杂志的介绍：“潘建伟说：‘多年前，没有人认为量子信息是真正的科学。信息科学家不喜欢它，进行基础研究的科学家也不喜欢它。’但现在，这可能是物理学最热门的研究领域了。”

上帝究竟是否掷骰子？微观世界的自然规律究竟是确定性的还是概率性的？从爱因斯坦和波尔这两位科学巨人之间富有哲学意味的争论开始，人类花费了几乎百年时间，对于微观世界的本质进行了更加深入的探索。从对于自然界的信念、科学理论、数学形式，一直到实验验证，这是一个令人振奋的科学故事。可以说，无论结果多么出人意料，或者与人们的经验相悖，自然界都是最后的裁判官。

不仅如此，我们还可以看到从最抽象的理论出发，人类从基础科学到应用技术研究，开启全新的研究领域，一直到推动人类社会的发展，存在着一个清晰的链条。借助诺贝尔奖带来的荣誉和关注度，可以让越来越多的人理解，科学研究其实与每个人的生活都息息相关。也正因为如此，诺贝尔奖才具有极强的象征意义。它代表了人类的好奇与追求。

[本文写作参考了诺贝尔奖网站和《科学》（Science）杂志的相关报道] 物理诺贝尔奖