量子力学的力量

2022年10月4日，瑞典皇家科学院宣布三位实验物理学家约翰·克劳泽（John Clauser）、阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）和安东·蔡林格（Anton Zeilinger），因为“进行纠缠态光子进行的实验，证明对贝尔不等式的违反以及开创性的量子信息科学”等工作而共同获得本年度诺贝尔物理学奖。关于这几位物理学家的成就以及实际应用，斯德哥尔摩大学教授穆罕默德·布伦南（Mohamed Bourennane）在发布会后接受了本刊的专访。

三联生活周刊：今年的诺贝尔物理学奖有关“量子力学的力量”，主要是关于被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”（spooky action at a distance）的量子纠缠（quantum entanglement）。你会如何向没有物理学背景的人解释量子纠缠概念？

布伦南：我会用一对孪生子来比喻——即便他们被分开很远，你对于其中一个施加的动作也会同时影响到另外一个。这个比喻就可以解释量子纠缠现象。这也正是爱因斯坦的迷惑，他无法理解（这种超距作用），他认为我们可能漏掉了量子力学中的一些关键因素。一个物体的状态不应该依赖于其他（与之没有直接相互作用的）物体的行为。比如我穿一件白色的衬衫，它就一直都会是白色的，而不是依赖于你的衬衫的颜色来决定我的衬衫颜色。但是对于量子纠缠现象来说，就好像是你的衬衫颜色决定我的衬衫颜色。

比如中国潘建伟教授做的量子纠缠实验，他利用一个卫星制造出一对“孪生”的光子，而后这两个光子被发送到地球上相隔1200公里的两个地方。而你在其中一个地点对光子的处理会直接影响到1200公里之外的另一个光子。这也正是让爱因斯坦最为迷惑的地方。

爱因斯坦和尼尔斯·玻尔关于量子力学的争论一直在持续，似乎没有任何一方能够赢得辩论。直到1969年，约翰·贝尔（John Bell）提出了一个可以结束这场争论的构想。随后的一些物理学家如阿兰·阿斯佩、安东·蔡林格以及潘建伟等，都进行了这方面的实验。他们证明了（两个处于纠缠态的粒子）即便相隔上千公里，它们之间的这种相关性依然存在。

三联生活周刊：最后尼尔斯·玻尔赢得了这场辩论。

布伦南：是的。爱因斯坦提出了非常关键的问题，而玻尔赢得了辩论。现在这场辩论已经结束了。

三联生活周刊：今年的诺贝尔物理学奖由三位物理学家共同获得。他们之间的关系是什么，是合作者还是竞争者，或是后者借鉴前者的工作？

布伦南：我想他们彼此的工作都是在不同的时间完成的。比如克劳泽的工作主要是在20世纪70年代完成的。之后实验技术实现了很大的进步，比如可以利用激光。阿斯佩在20世纪80年代进行了更精确的实验。随后蔡林格进行了更远距离的（量子纠缠）实验。他们进行的实验是不同类型的，可以说是相互成就，最终结束了这场关于量子纠缠的争论。

三联生活周刊：这几位科学家关于量子纠缠的实验工作在我们实际生活中最重要的应用是什么？

布伦南：这与系统的复杂程度有关。比如说，如果想要实现“量子加密”（quantum encryption），那么相对简单，因为你只需要两个相互纠缠的光子就可以实现。一些创业公司利用相对简单的实验仪器就可以完成。但是如果你想制造量子计算机，那么你就需要更复杂的系统和更多的处于纠缠态的粒子。人类目前的技术还不成熟。当然，现在在中国，以及世界上其他国家的一些公司里进行了量子计算实验，证明了利用量子系统进行计算可能比传统计算机的表现更好。

三联生活周刊：这三位物理学家都是在20多年前，甚至是30多年前完成了他们最重要的实验。在之后的这段时间里，在这个领域又出现了哪些进展？

布伦南：这是一系列长时间的实验。早期的实验还不算完整，还存在一些技术问题和理论漏洞。直到2015、2016年，这些实验的技术问题和漏洞才最终被解决。要完成这些任务需要时间。另外，要证实这些实验同样需要时间。而且说到实际应用方面，处于纠缠态的粒子可以作为量子加密和量子计算实验的资源。在进行这些研究时都会利用处于纠缠态的粒子，它们提供了“量子优势”（quantum advantage）。

三联生活周刊：现在人们经常谈论量子信息、量子网络和量子计算机等等。我们知道要想实现这些技术还需要时间。是否可以想象一下，当我们拥有了量子网络和量子计算机等，那时的生活会和现在有哪些不同？

布伦南：我们可以拿加密技术来举例。人们现在使用的加密技术，是假设自己的系统不会被黑客所攻击，因为他们没法获得运算速度足够快的电脑，或者他们不够聪明——但实际上仍旧有一些计算机系统会被黑客攻击。而量子加密技术不需要这些假设，它的安全性是由自然规律所保证的。自然规律让黑客无法从量子网络中窃取信息。当然，量子计算机会是更加强大的计算机，我们可以通过量子计算进行大分子的模拟，以及进行最优化设计，这对于生物学研究和制药研究都非常重要。

三联生活周刊：如果有一天我们拥有了通用型量子计算机，加密货币是否还安全？还是会被量子计算机迅速破解？

布伦南：除非它们使用量子加密技术，否则都会被量子计算机破解。

三联生活周刊：人们关于量子纠缠的研究源于爱因斯坦和玻尔之间的争论，而玻尔最终赢得了争论。我们可以利用量子纠缠，但是问题仍然在那里：究竟什么是量子纠缠？

布伦南：我们理解量子纠缠，对于复杂的量子系统，这是一个开放性的问题；但是对于简单的系统来说，这是很清楚的，目前并没有争论。目前一个很重要的问题在于如何在远距离实现量子纠缠，另外一个问题是如何有效地利用远距离量子纠缠。这些都是开放性的问题，也还需要很多的工作。在数学上这很容易解释，但是要制造量子计算机，我们需要非常非常多的处于纠缠态的粒子。

三联生活周刊：从数学的角度可以用“张量积”（tensor product）来描述量子纠缠。但是从物理学的角度来说，量子纠缠还涉及“波函数”（wave function）的本质。这几位科学家的工作是否可以帮助我们深入理解这方面的问题？

布伦南：今年的诺贝尔奖主要是关于量子力学中的相关性，以及如何利用这种相关性——比如量子秘钥分发（quantum key distribution），这些方面都是非常重要的——而不是对于量子力学中的相关性给出解释。此外我还想谈一下量子成像（quantum imaging）和量子传感（quantum sensing）技术。传统的成像和传感技术都有其极限，而利用量子纠缠技术则可以打破这个限制。 布伦南诺贝尔奖