從愛因斯坦最初的置疑和貝爾的實驗到 2022 年諾貝爾獎，量子糾纏已經(jīng)發(fā)展成為了物理大廈的支柱。那么什么是量子糾纏，為何科學(xué)家需要花費數(shù)十年時間來確立量子糾纏的存在?！禟nowable》雜志播客主持人亞當(dāng)?李維與嘉賓物理學(xué)家尼古拉斯?吉辛為我們解答其中的奧秘。
亞當(dāng)?李維：關(guān)于現(xiàn)實的本質(zhì)，量子物理告訴了我們什么？兩個距離很遠的粒子能夠互相影響嗎？宇宙真的是“幽靈般的”嗎？我是亞當(dāng)?李維，這里是雜志《Knowable》。
在這一季的節(jié)目中，我們將會討論科學(xué)思想是怎樣、以及何時發(fā)展起來的。每一集節(jié)目，我們都會探討一個曾經(jīng)改變了我們思維方式的主題。在本集中，我們聚焦的是一個已經(jīng)在物理學(xué)中實際存在了大約 80 年之久的主題，實際上是一個短語，“幽靈般的超距作用”。
愛因斯坦在表述他深感荒謬的新興的量子物理思想時，采用了這一令人印象深刻的措辭。在這一集中，我們將會探討是什么讓愛因斯坦感到過于“幽靈”以至于無法接受，以及北愛爾蘭物理學(xué)家約翰?斯圖爾特?貝爾所提出的一種能夠最終用于測試宇宙并驗證愛因斯坦的懷疑是否具有依據(jù)的方法。
不過，在此之前，我們需要來討論一下 20 世紀早期物理學(xué)領(lǐng)域所發(fā)生的變革。在當(dāng)時，人們越來越清晰地意識到，宇宙并不按照物理學(xué)家之前所描述的那樣運行。
什么是波粒二象性？
經(jīng)典物理學(xué)用確定性的規(guī)律描述世界。這些定律支配著波和粒子，比如光和電子的運行方式。但這些定律并不能解釋當(dāng)時出現(xiàn)的大量的新奇現(xiàn)象和實驗結(jié)果。因此，宇宙的經(jīng)典觀點逐漸被量子力學(xué)的觀點所替換，后者用于描述微觀結(jié)構(gòu)的奇異特性。
尼古拉斯?吉辛：起初，這就是人們所說的波粒二象性。
亞當(dāng)?李維：這位是日內(nèi)瓦大學(xué)的尼古拉斯?吉辛教授。他畢生致力于應(yīng)用物理和量子物理的研究，并花費了數(shù)十年的時間探尋量子物理在通信中的應(yīng)用。
那么，波粒二象性又是什么？
尼古拉斯?吉辛：假設(shè)你有一個粒子，它可以是電子，也可以是原子。所有的這些粒子有時會表現(xiàn)地像一個粒子，比如說像一個臺球；但也有些時候它們會表現(xiàn)地像一束波。我們可以說，粒子的波粒二象性真正拉開了所有量子科學(xué)的序幕。直到上世紀六十年代，甚至更晚，波粒二象性仍然都是科學(xué)問題的主要關(guān)注點。
亞當(dāng)?李維：宇宙的構(gòu)成要素既不是波，也不是粒子，但卻能夠以某種方式兼具兩者的特性。這一概念徹底地顛覆了物理學(xué)。即便這可能曾經(jīng)是主要的關(guān)注點，但是量子物理的奇異性質(zhì)所帶來的問題遠遠不止這些。
量子物理預(yù)言，粒子之間可以相互發(fā)生糾纏。這意味著多個粒子可以匯聚并形成根本上的連接。即使這些粒子后來被分隔很遠，我們也不再能夠去獨立地描述它們的性質(zhì)。對于某一粒子的觀測會顯著影響到另一個粒子的觀測結(jié)果。
尼古拉斯?吉辛：量子糾纏是指：現(xiàn)在，如果我對第一個粒子進行測量或者采取某種其他操作，第二個粒子便會以某種方式受到影響，或者說，第二個粒子發(fā)生了“顫動”。
亞當(dāng)?李維：這種觀點向愛因斯坦宇宙觀念的核心提出了挑戰(zhàn)，即所有的信息在宇宙中的傳遞都不能超過光速，因此，沒有任何物體能夠?qū)ζ渌c之分離的物體產(chǎn)生瞬時的影響。然而，量子物理卻認為，測量一個處于糾纏狀態(tài)的粒子能夠?qū)ζ渌糠之a(chǎn)生即時的影響，或者說顫動。
尼古拉斯?吉辛：是的，所以和當(dāng)時的許多人一樣，愛因斯坦意識到，如果你在一側(cè)進行測量，另一側(cè)也將會受到某種影響。我們可以舉這樣一個例子：其中的一個粒子可能就在日內(nèi)瓦，也就是現(xiàn)在我坐著的地方，而另一個粒子也許會在相隔遙遠的美國。即便這樣，這些粒子的糾纏特性也會讓你無法分別地描述它們。愛因斯坦就是不能相信這一點，所以他認為量子糾纏是不可能存在的。
亞當(dāng)?李維：事實上，在 1947 年，愛因斯坦曾經(jīng)給馬克思?波恩寫過一封信。信中，他把我們現(xiàn)在所討論的這種非定域性戲稱為“幽靈般的超距作用”。這一說法一直沿用至今。不過在當(dāng)時，愛因斯坦究竟是在單打獨斗地反對這些觀點，還是說其實在物理學(xué)家之間曾經(jīng)有過積極的討論呢？
尼古拉斯?吉辛：沒錯。所以我認為愛因斯坦曾經(jīng)發(fā)明了很多準確且具有創(chuàng)造性的說法，比如說“上帝不擲骰子”，還有“幽靈般的超距作用”。“幽靈般的超距作用”確實反映了觸碰位于日內(nèi)瓦的粒子，會使得處在美國的粒子發(fā)生顫動的觀點。的確存在著這樣一種超距作用。愛因斯坦講到：“這太詭異了，它不可能是真的。這只能是幽靈般的作用。”
令我感到驚訝的是，在當(dāng)時，物理學(xué)家并沒有給予這一問題更多的關(guān)注。當(dāng)時絕大多數(shù)的物理學(xué)家對這些問題和議題毫不關(guān)心。并且在當(dāng)時也沒有辦法將這一理論轉(zhuǎn)化為實驗。甚至有人認為，這是一個沒有物理結(jié)果的純粹的哲學(xué)上的問題。我們馬上就會發(fā)現(xiàn)他們徹底地錯了，盡管這些觀點才是當(dāng)時的主流。
貝爾測試
亞當(dāng)?李維：在愛因斯坦去世后不久，約翰?斯圖爾特?貝爾在 1964 年提出了一種可能解決問題的檢驗方法。如今，我們稱它為貝爾測試。這一測試的核心是什么？
尼古拉斯?吉辛：假設(shè)現(xiàn)在你有兩個粒子，它們被最大限度地糾纏，處于高度糾纏的狀態(tài)。為了方便解釋，你可以把它們都想象成硬幣。這樣你就會得到兩種可能的測量結(jié)果。當(dāng)你去拋這些硬幣時，你可能會得到正面向上或者反面向上?，F(xiàn)在，如果你在兩邊用相同的方式去拋這些硬幣，你總會得到均為正面向上或者均為反面向上的結(jié)果。
亞當(dāng)?李維：這就是量子物理所預(yù)言的幽靈。愛因斯坦無法相信這一點。兩個處于糾纏態(tài)的粒子即使被分開，也永遠只會顯示相同的測量結(jié)果，因為你所測量的是它們整體的性質(zhì)。這就好比說，有人向你保證，當(dāng)你在拋擲兩枚分立的硬幣時，一定可以得到相同的結(jié)果。似乎兩個粒子都瞬間地同意了展示正面向上的測量結(jié)果。
不過，還可能有一種不那么幽靈般的解釋。比如說粒子可能在被分開之前就達成了一個秘密計劃，決定好了在被拋出后要顯示哪一面朝上。這樣就不會再有量子糾纏的存在，只不過是粒子在將它們的計劃付諸實踐罷了。
自約翰?斯圖爾特?貝爾首次提出了驗證量子糾纏的幽靈性的方法以來，半個世紀內(nèi)，已經(jīng)有少數(shù)的實驗證明了量子糾纏的存在。這里展示了一張理論物理學(xué)家貝爾在歐洲核子研究中心時的照片（1982）。
尼古拉斯?吉辛：并且，約翰?貝爾提出了一種天才般的想法，那就是稍微改變了一下拋硬幣的方式?，F(xiàn)在讓我們假設(shè)其中一枚硬幣仍然用常規(guī)的方式拋出，而另一枚硬幣以稍微不同的方式拋出。
亞當(dāng)?李維：也就是說，我們可以采取略有不同的方式去測量這兩個粒子。這樣的話，它們還會互相約定一個測量結(jié)果嗎，比如說都顯示正面朝上？
約翰?斯圖爾特?貝爾是一位粒子物理方面的理論物理學(xué)家。他抽出了一些時間用于研究量子理論，并意識到這種稍有不同的拋硬幣的方式能夠最終解決這一問題。粒子之間是否真正地發(fā)生了糾纏，或者說愛因斯坦否認量子“幽靈性”的觀念是否正確。如果愛因斯坦是對的，并不存在量子糾纏，只不過是粒子之間提前達成了一項秘密計劃，那么在物理學(xué)家就能夠在不斷重復(fù)拋硬幣實驗的過程中，找到兩個粒子具有相同測量結(jié)果的頻率的上限。
尼古拉斯?吉辛：不過，在量子力學(xué)中，你可以違反這一上限，這就是我們所說的貝爾不等式。
亞當(dāng)?李維：所以如果量子物理是正確的，粒子確實被糾纏在了一起，并且 “幽靈般的超距作用” 確實存在，那么在重復(fù)實驗的過程中，兩個粒子更有可能展現(xiàn)出均為正面向上或者均為反面向上。
這是因為這些粒子確實被連接在了一起，它們能夠對彼此拋硬幣實驗的結(jié)果產(chǎn)生瞬時的影響。換句話講，貝爾實驗?zāi)軌蛘f明究竟哪一種觀點是正確的：是量子預(yù)言的糾纏狀態(tài)，還是愛因斯坦和他對這種怪誕行為的懷疑。
尼古拉斯?吉辛：這確實就是貝爾所提出的方法。它把整場討論變成了一項潛在的實驗。
量子糾纏的實驗驗證
亞當(dāng)?李維：不過，貝爾本人并沒有去完成他所提出的測試。究竟是在什么時間才有人真正地進行了一場能夠明顯說明粒子確實是以這種幽靈般的方式相互糾纏的實驗的呢？
尼古拉斯?吉辛：是的。所以約翰?貝爾是一位理論學(xué)家，他并不知道怎樣去完成實驗。我們只能再等 10 年，直到 1970 年代，約翰?克勞澤首次得到了當(dāng)測量方式略有不同時，兩個粒子在很大的概率下具有完全相同的測量結(jié)果的實驗結(jié)果。
亞當(dāng)?李維：約翰?克勞澤是通過操作鈣原子，來獲得兩個明顯處于糾纏狀態(tài)的光子，從而完成貝爾測試的。這些光子，類似于拋硬幣般，被使用稍有不同的方式測量，在這里意味著去測量光的偏振方向，即光波的擺動方向?；谶@樣的實驗，克勞澤能夠觀察到兩個光子產(chǎn)生相同測量結(jié)果的頻率。實驗的結(jié)果確實與貝爾不等式相悖，這就表明這些光子的確處于糾纏狀態(tài)。愛因斯坦的假設(shè)似乎是錯誤的。
尼古拉斯?吉辛：這絕對是一個了不起的結(jié)果。不過約翰?克勞澤還面臨著不止一處麻煩。
首先，在美國海岸的對岸，還有其他人在約翰?克勞澤之后也進行了這一實驗，不過他得到了另一個不同的結(jié)果。很明顯，這兩個結(jié)果之中有一個是錯誤的，但是你怎么會知道哪一個才是錯誤的？
另外，在 1970 年代，沒有人會把它當(dāng)做一個嚴肅的物理問題。正因如此，沒有任何大學(xué)愿意將約翰?克勞澤提拔為教授。他的職業(yè)生涯被嚴重地阻礙了，就因為他是首個完成貝爾測試的人。
后來又有另一項實驗，但這已經(jīng)是 1980 年代的事情了。所以你會發(fā)現(xiàn)，每次重大的實驗都要再經(jīng)過 10 年左右的時間。
這一次實驗由阿蘭?阿斯佩和他的同事在法國巴黎完成。他們的實驗做得更好，質(zhì)量也更高，盡管耗時也更長。在一定程度上他們解決了這一問題，并證明了量子力學(xué)的觀點。自此，量子糾纏不再停留于理論，而是被確立為自然界的一種真實特征。
亞當(dāng)?李維：這些實驗最終證明了量子力學(xué)的觀點，并否認了愛因斯坦的懷疑，表明“幽靈般的超距作用”是一種自然存在的現(xiàn)象。但我想事情并沒有就此結(jié)束。在當(dāng)時，還有一些沒有解釋清楚的地方需要解決，也就是我們所說的漏洞。
相比于說對彼此的測量結(jié)果產(chǎn)生瞬時影響，粒子也許還會有一些隱藏的手段，允許它們提前制定計劃來欺騙測試。物理學(xué)家把這種可能存在的粒子欺騙行為稱為局域變量。您能說明一下為了消除這些漏洞，以確定量子糾纏是自然界的真實特征而做的努力嗎？
尼古拉斯?吉辛：在阿蘭?阿斯佩的實驗中，最主要的漏洞源自于實驗中產(chǎn)生光子對的過程。
當(dāng)然，你不會把它們送到日內(nèi)瓦和美國，但是你會把它們發(fā)射到大的實驗室的兩端，令它們保持 10 米左右的間距。隨后，你需要對它們進行測量。
然而在真實的實驗中，當(dāng)你在進行這些測量時，很有可能得不到任何結(jié)果，僅僅因為光子在途中丟失，或者探測的結(jié)果受限于探測器自身的效率。一個光子很容易丟失或者檢測不到。所以你確實可以認為，是這些假定的局域變量決定了光子在什么時間才能夠被檢測到。你也許可以解釋實驗的結(jié)果，但其實一切都是由局域變量引導(dǎo)并驅(qū)使的。
因此，這一點仍然需要進一步的測試。在阿蘭?阿斯佩之后將近 30 年，在 2015 年進行了額外的測試。我們用了很長的時間才得到了性能足夠好的單光子探測器。
亞當(dāng)?李維：這次測試有效地使用了光子和電子的組合來繞過檢測的問題，允許測量相距超過 1 公里的糾纏粒子對。從那時起，大量其他形式的貝爾測試不斷出現(xiàn)以修補量子糾纏的其他漏洞。而這些測試采用了從衛(wèi)星到電腦游戲等幾乎一切手段，不斷地推動著這一領(lǐng)域的極限。
但是如果說物理學(xué)家進行這些實驗的初衷，僅僅是因為粒子可能以某種方式密謀欺騙實驗結(jié)果，從而讓我們誤以為它們的行動如同幽靈一般，這樣的想法是不是會顯得太偏執(zhí)？
尼古拉斯?吉辛：物理學(xué)家確實很偏執(zhí)。然而，貝爾不等式的不成立意味著量子理論的這一特點不僅僅是某一理論的特征，更是自然界的一種特征。所以它改變了物理學(xué)所展示給我們的世界觀。這一巨大的變化是一場概念上的革命，因此，能夠決定光子何時才能被探測到的局域變量，即便只是假定的，也值得我們的關(guān)注。
所以，我認為深入到底的研究確實是有意義的。要記住，物理學(xué)其實只是一門實驗科學(xué)，僅僅思考理論是不夠的，你也必須要做一些實驗。因此我認為這樣的工作是很有意義的。但我也同意說，幾乎沒有一個人，也幾乎沒有一個實驗學(xué)家相信自己可以證偽量子力學(xué)。盡管這樣的工作也是有意義的。
量子糾纏對我們的生活意味著什么？
亞當(dāng)?李維：不過，難道這一切都只停留在理論上嗎？或者說，對于量子世界的理解以及完成這些實驗的方法能否為我們逐漸平淡的生活帶來一些實際的應(yīng)用？
事實上，早在愛因斯坦的時代，這還是一種純粹的哲學(xué)上的問題。約翰?貝爾將它轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可行的實驗，并由約翰?克勞澤首次完成。阿蘭?阿斯佩率先完成了具有結(jié)論性的實驗。到了 1990 年代，人們突然意識到，這一類抽象的思考的確具有實際上的影響。因為事實上，如果你永遠，或者幾乎永遠都可以從兩個粒子那里得到相同且隨機的結(jié)果，你便會得到在一定距離上的隨機性。而這種非定域的隨機性非常接近于一種加密密鑰。
你可以把加密密鑰看作是一種密碼。什么是密碼？密碼必須在兩端都保持相同，比如說你和亞馬遜或者你的銀行，或者其他別的什么機構(gòu)，又或者是你想進行保密交流的任何人。要注意，密碼必須是隨機的。
通過量子糾纏，我們就已經(jīng)得到了具有這樣特征的密碼。另外，基于量子糾纏的理論，我們還能夠知道，如果兩個粒子處于高度糾纏的狀態(tài)，它們便不能與其他任何物體發(fā)生糾纏。它們不可能與第三個粒子發(fā)生糾纏。
因此，這便確保了保密性。所以，如果你和銀行處于糾纏狀態(tài)，你就可以在兩邊得到相同的隨機密碼。并且，你可以確定絕對不會再有人擁有你的密碼的副本，而這正是你想要的。所以說在精神上，密碼學(xué)和貝爾不等式的不成立十分接近。
但這是一場徹底的革命，人們突然意識到這些奇異的量子關(guān)聯(lián)、貝爾不等式、以及局域變量的可能存在或缺失其實都是加密密鑰。所以，它們在我們所處的信息化社會中非常有用。
亞當(dāng)?李維：2022 年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給了實現(xiàn)貝爾測試的工作。這樣的榮譽頒發(fā)給這項工作具有怎樣的意義？
尼古拉斯?吉辛：我想，2022 年的諾貝爾物理學(xué)獎不僅僅是對于三位得獎?wù)撸?strong>約翰?克勞澤、阿蘭?阿斯佩和安東?蔡林格）的認可，更是對于整個領(lǐng)域的認可。這一領(lǐng)域已經(jīng)被忽視了數(shù)十年，現(xiàn)在終于得到了最高水平的認可。我得說，諾貝爾委員會犯了一個巨大的錯誤，他們沒有把諾貝爾獎頒發(fā)給約翰?貝爾。他本應(yīng)該得到這一獎項，但是他去世得太早，或者說諾貝爾委員會行動地太遲了，或者因為其他別的原因。
所以，我個人對這一獎項十分滿意。當(dāng)然它頒發(fā)給了三位個人，但是在他們?nèi)酥希@一獎項確實承認了一個曾經(jīng)飽受爭議的領(lǐng)域。最好的例子就是約翰?克勞澤。他首次較好地完成了貝爾測試，但是卻從來沒能在任何一所大學(xué)中謀得一官半職。許多這樣的工作都被忽視了，直到他在 50 年后獲得了諾貝爾獎。所以這真的很了不起。我不知道這樣的事情是否經(jīng)常發(fā)生：一個領(lǐng)域被忽視了如此之長的時間，大概有幾十年。
當(dāng)我自己開始從事這一領(lǐng)域時，我只能把工作安排在晚上 9 點之后，僅僅依靠它根本無法謀生。但是現(xiàn)在，諾貝爾委員會承認了它。這一點很好。
亞當(dāng)?李維：現(xiàn)在，爭論終于結(jié)束了嗎？我們是否能夠在今天確定地指出：宇宙確實是幽靈般的，沒有任何的漏洞，并且粒子不會密謀去欺騙貝爾測試？
尼古拉斯?吉辛：可以，但只不過我不會說它是“幽靈般的”。我認為沒有什么是幽靈般的，與之相反，這一切都非常地真實。我是說，這已經(jīng)成為了實驗室中的常規(guī)測試，你甚至還會有一些學(xué)生在實驗室里做這樣的練習(xí)。所以這是一種非常確鑿的事實。
如何看待量子力學(xué)取得的成就
亞當(dāng)?李維：您怎樣看待在過去的幾百年中，我們在理解量子行為中取得的巨大進展？
尼古拉斯?吉辛：我想說的是，在過去的 30 年里，對我而言，理解量子行為是從知道了這些非定域量子相關(guān)能夠自然地產(chǎn)生加密密鑰開始的，這是非常有用的東西。你可以看到這種變化。
起初，人們在討論的都是波粒二象性，然而現(xiàn)在，幾乎沒有人會再去討論這一點。人們都在談?wù)摿孔蛹m纏。量子糾纏真正地改變了人們的看法，并且讓量子力學(xué)變得如此流行。今天，我想在這一領(lǐng)域內(nèi)不會有哪篇文章、哪本書和哪一場講座不會提到量子糾纏。所以，量子糾纏最終被確認為是量子力學(xué)的本質(zhì)。
亞當(dāng)?李維：事實上，量子糾纏，這一愛因斯坦認為難以置信的“超距作用”，如今已經(jīng)是我們許多量子技術(shù)的核心：無論是用于確保你與銀行通訊的保密性和安全性的新型加密技術(shù)，還是對于建造具有實際用途的量子計算機的長遠探索。時至今日，物理學(xué)家和記者仍然經(jīng)常把量子糾纏稱作“量子幽靈”。
物理學(xué)家用了很長的時間來反思愛因斯坦對于量子物理的抱怨，并用了更長的時間來證明他是錯誤的，最終指出量子糾纏是宇宙運行的一種基本方式，即使是分隔的粒子之間也具有某種同步性。不過，如今的物理學(xué)家正在積極地將“幽靈般的超距作用”付諸實踐。
作者：Adam Levy & Nicolas Gisin
翻譯：wnkwef
審校：十七
原文鏈接：Quantum entanglement’s long journey from ‘spooky’ to law of nature
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Adam Levy
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