引言：The Nobel Prize

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已于前日公布，今年的諾獎(jiǎng)由量子信息領(lǐng)域的三位科學(xué)家獲得。量子世界并沒(méi)有那么容易理解，雖然大部分關(guān)注諾獎(jiǎng)的人可能并不具備量子力學(xué)基礎(chǔ)，卻仍然對(duì)量子世界的反常識(shí)現(xiàn)象津津樂(lè)道。信息能否超光速傳遞？愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是不是被推翻了？作為物理所的小編，我認(rèn)為我有義務(wù)用通俗的語(yǔ)言向沒(méi)有量子力學(xué)基礎(chǔ)的讀者解釋它，讓大家都能看懂今年的諾獎(jiǎng)，所以就有了這篇文章。

相對(duì)論的定域性

我們知道牛頓力學(xué)，也知道牛頓力學(xué)是有局限的：它無(wú)法解釋微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，所以我們需要量子力學(xué)。量子力學(xué)里最著名的思想實(shí)驗(yàn)大概應(yīng)該是薛定諤的貓，其中最核心的觀點(diǎn)是：貓可以處于既活又死的疊加狀態(tài)，我們只能用概率描述它，比如90%活10%死，或者50%活50%死。這顯然嚴(yán)重違背常理：一只貓要么是活的，要么是死的，怎么可能是90%活10%死呢？愛(ài)因斯坦就不認(rèn)可疊加態(tài)的存在。他認(rèn)為這個(gè)世界應(yīng)該具有定域性，而疊加態(tài)會(huì)導(dǎo)致超距作用。

那么，什么是定域性呢？比如有個(gè)蘋(píng)果剛剛從桌上掉到了地上，那么我們認(rèn)為它運(yùn)動(dòng)的原因是它周?chē)矬w和它之間的相互作用：比如受到了地球的引力，或者被熊孩子丟了下去，而不是因?yàn)镸78星云發(fā)生了大爆炸。因?yàn)榫嚯x太過(guò)遙遠(yuǎn)，我們“理所當(dāng)然”地忽略了M78星云對(duì)這個(gè)蘋(píng)果的影響。這就是定域性。

牛頓力學(xué)和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論都是定域性的，即使是看不見(jiàn)摸不著的磁力，也要通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳播。相對(duì)論告訴我們：任何物體或粒子的速度不能超過(guò)真空光速，任何相互作用的傳播速度也不能超過(guò)光速，因此傳播速度超過(guò)光速的相互作用，也就是我們上面提到過(guò)的超距作用，是不存在的。

愛(ài)因斯坦的質(zhì)疑

愛(ài)因斯坦曾經(jīng)試圖推翻量子力學(xué)，但失敗了。因此，他改為質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為量子力學(xué)是不完整，有缺陷的。為此，愛(ài)因斯坦和波多爾斯基、羅森共同提出了用三人首字母命名的EPR佯謬。既然叫佯謬，那也就是說(shuō)我們現(xiàn)在知道它并不是謬。我們先來(lái)看下它的內(nèi)容。

假定一個(gè)大粒子分裂成兩個(gè)小粒子，并向相反的兩個(gè)方向飛去，而每個(gè)小粒子的自旋（無(wú)需在意，它只是粒子的一種固有屬性）只有兩種可能的取向：向上或者向下。根據(jù)守恒律，這兩個(gè)粒子的自旋必須得是一上一下才行。那么在測(cè)量之前，量子力學(xué)認(rèn)為這兩個(gè)粒子都處于既上又下的疊加狀態(tài)，概率各為50%。

雖然兩個(gè)粒子相隔十分遙遠(yuǎn)，但只要我們測(cè)量其中一個(gè)粒子的自旋，就能立刻知道另一個(gè)粒子的自旋取向。然而，此時(shí)另一個(gè)粒子應(yīng)該仍處于疊加態(tài)，除非兩個(gè)粒子之間存在某種關(guān)聯(lián)，讓被觀測(cè)的粒子給另一個(gè)粒子發(fā)信號(hào)才行，這個(gè)信號(hào)自然屬于超距作用。但根據(jù)相對(duì)論，超距作用是不可能的，因此量子力學(xué)要么是有缺陷的，要么是違背相對(duì)論的。但相對(duì)論已經(jīng)經(jīng)過(guò)了反復(fù)的驗(yàn)證，所以量子力學(xué)是不完備的。

對(duì)于EPR，愛(ài)因斯坦拋出了隱變量理論來(lái)解釋它。隱變量理論是說(shuō)，應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)更完整的理論描述和若干未被察覺(jué)的隱藏變量，而量子力學(xué)只是這個(gè)理論的一部分。例如，一般我們認(rèn)為擲骰子的結(jié)果是隨機(jī)的，那是因?yàn)槲覀儧](méi)有考慮初始狀態(tài)，手的形狀，空氣阻力，運(yùn)動(dòng)軌跡，風(fēng)速等隱變量。如果能夠全部考慮到的話，擲骰子的結(jié)果應(yīng)當(dāng)是確定的。類(lèi)似地，愛(ài)因斯坦認(rèn)為隱變量理論可以消除量子力學(xué)的隨機(jī)性。

讓我們回到EPR。隱變量理論認(rèn)為，粒子總是攜帶可以決定自旋觀測(cè)結(jié)果的隱藏信息。我們可以把分開(kāi)的兩個(gè)粒子比作一副手套，左右手的區(qū)別就是所謂的隱變量。因此，當(dāng)它們分開(kāi)的時(shí)候，其自旋的方向就已經(jīng)被隱變量決定了，這樣自然就不存在超距作用了。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，一個(gè)完備的理論必須滿足兩個(gè)條件：

1，定域性；

2，存在性，也就是說(shuō)任何物理量在被觀測(cè)前就應(yīng)該有一個(gè)客觀存在的值，這個(gè)值和是否被觀測(cè)無(wú)關(guān)。比如說(shuō)，上學(xué)期你量子力學(xué)的成績(jī)是100，無(wú)論你去不去查分，你的成績(jī)都具有100這個(gè)客觀存在的值，這就是存在性。

在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，EPR佯謬是無(wú)法被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，愛(ài)因斯坦直到去世都相信著隱變量理論，但事實(shí)真是如此嗎？

貝爾不等式的違背

1964年，為了驗(yàn)證隱變量和量子力學(xué)誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，貝爾設(shè)計(jì)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。他成功地將EPR中兩個(gè)粒子的相關(guān)性用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量地描述了出來(lái)。他發(fā)現(xiàn)，基于經(jīng)典理論，也就是在愛(ài)因斯坦所強(qiáng)調(diào)的定域存在性的理論框架下，這個(gè)關(guān)聯(lián)具有一個(gè)最大值，這就是大名鼎鼎的貝爾不等式。如果隱變量理論是正確的，那么貝爾不等式就一定成立，但量子力學(xué)可以違背這一不等式，因?yàn)榱孔恿W(xué)所預(yù)言的最大關(guān)聯(lián)值比隱變量理論要高。

貝爾不等式固然重要，但它只是一個(gè)判據(jù)。如果沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，貝爾不等式就沒(méi)有意義。在貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，有三位科學(xué)家做出了突出的貢獻(xiàn)。

首先是約翰·克勞澤等，他們提出了一個(gè)用糾纏態(tài)光子來(lái)檢驗(yàn)貝爾不等式的可行的實(shí)驗(yàn)方案，并在1972年獲得了與量子力學(xué)一致，違反貝爾不等式的結(jié)果。但這一實(shí)驗(yàn)存在一個(gè)嚴(yán)重漏洞：不能保證系統(tǒng)里不含預(yù)先的信息。阿蘭·阿斯佩建立了一個(gè)新的裝置，并反復(fù)進(jìn)行了完善以確保系統(tǒng)里不含預(yù)先信息，補(bǔ)上了這一漏洞。而安東·塞林格研究了多粒子糾纏系統(tǒng)，并對(duì)貝爾不等式做了更多測(cè)試。最終，科學(xué)家得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)確實(shí)得到了違背貝爾不等式的結(jié)果，量子力學(xué)是正確的！這三位科學(xué)家也因此分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“超光速”的量子糾纏

現(xiàn)在我們知道量子力學(xué)是正確的，EPR粒子之間真的存在某種“超距”的關(guān)聯(lián)，現(xiàn)在我們管它叫量子糾纏。糾纏狀態(tài)中的粒子無(wú)法被單獨(dú)描述，我們只能描述系統(tǒng)整體的性質(zhì)。量子糾纏告訴我們，這個(gè)世界并不是定域性的。那么，超距作用真的存在嗎？相對(duì)論因此被推翻了嗎？答案是否定的，因?yàn)榱孔蛹m纏不是相互作用，也不能單獨(dú)傳遞信息。

這是因?yàn)椋?strong>在觀測(cè)之前，你不可能知道一個(gè)粒子是否仍處于糾纏態(tài)，也即與之糾纏的粒子是否已經(jīng)被觀測(cè)過(guò)，所以無(wú)法從另一個(gè)粒子處得到任何信息。除非我們能復(fù)制若干個(gè)粒子，然后觀測(cè)它們并統(tǒng)計(jì)結(jié)果。但量子力學(xué)告訴我們：量子態(tài)是不可復(fù)制的。

所以，如果你不能通過(guò)經(jīng)典的方式，比如打電話發(fā)微信這些非量子的通信方式來(lái)獲得額外信息，就不能從量子糾纏中獲得任何信息。而這些通信方式當(dāng)然不能突破光速。

但如果我們能通過(guò)經(jīng)典的方式獲得額外信息，就可以利用量子糾纏來(lái)傳遞信息，這就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的量子通信。

利用量子糾纏，我們可以將任意未知量子態(tài)傳遞至其他位置，而無(wú)需觀測(cè)它。這一過(guò)程不傳遞物質(zhì)和能量，之后信息通過(guò)經(jīng)典的方式傳遞，傳遞后原有的量子態(tài)會(huì)被破壞，我們叫它量子隱形傳態(tài)，首次進(jìn)行量子隱形傳態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家正是我們剛提到的安東·塞林格。

今年諾獎(jiǎng)委員會(huì)的報(bào)道是這么寫(xiě)的：“……以表彰他們?cè)诩m纏態(tài)光子實(shí)驗(yàn)、對(duì)貝爾不等式的驗(yàn)證以及在量子信息科學(xué)領(lǐng)域的前沿性突破?！比绻魑蛔x到這里能夠看懂這句話，那就是我寫(xiě)這篇文章的榮幸。

注：本文為通俗性省略了許多內(nèi)容，并犧牲了部分嚴(yán)謹(jǐn)性。

作者：黃水機(jī)