8月22日，加拿大渥太華大學(xué)官方發(fā)布消息，該校研究人員與羅馬薩皮恩扎大學(xué)的達尼洛·齊亞（Danilo Zia）和法比奧·夏里諾（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一種新技術(shù)，可以實時顯示兩個糾纏光子(構(gòu)成光的基本粒子)的波函數(shù)。
這一成果有望加速量子技術(shù)的進步，改進量子態(tài)表征、量子通信并開發(fā)新的量子成像技術(shù)。相關(guān)研究刊發(fā)于最新一期《自然·光子學(xué)》雜志（Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3）
這是非常專業(yè)的量子物理學(xué)的最新進展，但是其中的插圖引起了吃瓜群眾們的廣泛關(guān)注，就是下面這幅圖：
這一物理學(xué)的最新研究成果，無論怎么看，都跟中國人耳熟能詳?shù)奶珮O陰陽圖可以說是一模一樣。
難道說科學(xué)的盡頭是玄學(xué)？
為了讓不熟悉物理學(xué)的觀眾們都能理解，以下做個簡單科普。物理學(xué)早已證明，宇宙萬物都是由極小的微觀粒子構(gòu)成的，首先絕大多數(shù)物質(zhì)都是由分子構(gòu)成，分子下面是原子，原子下面是離子，離子下面是質(zhì)子，質(zhì)子下面是中子，然后是電子。量子是個比較泛的概念，它指的是原子以下的離子、中子、電子等。
在量子微觀世界，描述物質(zhì)運動不再是宏觀的牛頓運動定律，而是量子力學(xué)，而其中的核心就是波函數(shù)。簡單地說，微觀物質(zhì)并不是圖示中那樣的小球，而是彌散在空間中的波函數(shù)，波函數(shù)是時間和空間的函數(shù)，其模的平方對應(yīng)于微觀粒子在某處出現(xiàn)的概率密度（probability density）?；趯Σê瘮?shù)的計算，可以預(yù)測量子系統(tǒng)的狀態(tài)，這種基于量子力學(xué)基本原理對物質(zhì)系統(tǒng)進行計算的方法，就是物理學(xué)所稱的第一性原理計算，又被稱為重頭算（ab initio）。
理論上說，如果算力足夠，可以通過第一性原理計算來模擬真實宇宙。
如何驗證計算結(jié)果是否正確呢？那么就需要對量子系統(tǒng)的波函數(shù)進行觀測，這就是量子態(tài)斷層掃描技術(shù)。
長期以來，這是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。使用基于投影運算的標準方法，完整的斷層掃描需要進行大量測量，而這些測量會隨著系統(tǒng)復(fù)雜性（維度）的增加而迅速增加。此前研究表明，利用傳統(tǒng)方法表征或測量兩個糾纏光子的高維量子態(tài)需要數(shù)小時甚至數(shù)天。此外，實驗結(jié)果對噪聲高度敏感，并與實驗裝置的復(fù)雜性息息相關(guān)。
上述研究將經(jīng)典光學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字全息術(shù)擴展到兩個光子的情況，并且極大提升了檢測速度。其創(chuàng)新之處，是讓兩個光子與一個量子態(tài)疊加，然后分析兩個光子同時到達位置的空間分布。對兩個光子的同時到達成像被稱為重合圖像，這使他們獲得了用于重建未知波函數(shù)的干涉圖案。研究團隊通過一臺可在每個像素上以納秒分辨率記錄事件的相機實現(xiàn)了這一點。
作者之一，阿萊西奧·德埃里科(Alessio D 'Errico)博士，強調(diào)了這種創(chuàng)新方法的巨大優(yōu)勢。他說：“這種方法比以前的技術(shù)快得多，只需幾分鐘或幾秒鐘即可，而不是幾天。重要的是，檢測時間不受系統(tǒng)復(fù)雜性的影響，這解決了投影斷層成像中長期存在的可擴展性挑戰(zhàn)。”
實驗光路圖
2019年人類曾經(jīng)首次拍攝量子糾纏態(tài)的圖像，如下所示，形如相對的兩個豆瓣。當時就有人猜測 糾纏態(tài)量子的圖像應(yīng)當像太極陰陽魚，最新研究成果證明果然如此。這一實驗結(jié)果意義可謂重大，讓我想起17世紀隨著天文觀測技術(shù)的提升，伽利略在1610年首次觀測到模糊的土星環(huán)殘影，到1655年惠更斯觀測到完整土星環(huán)的過程，由此揭開了對宇宙認知的顛覆性革命。
那么，什么是量子糾纏態(tài)？它有什么用？這正是2022年諾貝爾物理學(xué)獎的研究成果：“用糾纏光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創(chuàng)了量子信息學(xué)”。
在量子力學(xué)描述的微觀世界中，存在若干與宏觀系統(tǒng)截然不同的性質(zhì)，其中最典型的就是疊加態(tài)和糾纏態(tài)的存在。
疊加態(tài)：量子系統(tǒng)可以同時處于所有可能的狀態(tài)，但會在被觀測后立刻塌縮到其中的一種狀態(tài)，薛定諤當初認為這是極端荒謬的，并編了一個“薛定諤的貓”的思想實驗。將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，在盒子里必將發(fā)生這兩個結(jié)果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。在量子的世界里，當盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個系統(tǒng)則一直保持不確定性的波態(tài)，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開后，外部觀測者觀測時，物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定。這項實驗旨在論證量子力學(xué)對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志為轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。
糾纏態(tài)：當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，則稱這現(xiàn)象為量子纏結(jié)或量子糾纏（quantum entanglement）。
疊加態(tài)與糾纏態(tài)共同作用，就會帶來不可思議的超距作用，該作用的傳播速度可能會遠超光速，這就與宇宙的已知基本規(guī)則“光速不可超越”產(chǎn)生矛盾。最早提出這一觀點的是著名物理學(xué)家愛因斯坦，他將其稱為“恐怖的超距作用”（Spooky action at a distance），愛因斯坦于1935年與兩位助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一個思想實驗，以他們各自名字首字母命名，就是著名的EPR佯謬。
EPR佯謬描述了A、B為自旋1/2的粒子，初始總自旋為零。假設(shè)粒子有兩種可能的自旋，分別是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋為 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持總體守恒，反之亦然。這時我們說，這兩個粒子構(gòu)成了量子糾纏態(tài)。
兩個粒子 A 和 B 朝相反方向飛奔，它們相距越來越遠，越來越遠……。無論相距多遠，它們應(yīng)該永遠是 |上>|下> 關(guān)聯(lián)的。
假設(shè)兩邊分別由觀察者楊戩和哪吒對兩個粒子進行測量。根據(jù)量子力學(xué)的說法，只要楊戩和哪吒還沒有進行測量，每一個粒子都應(yīng)該處于某種疊加態(tài)，比如說，|上>、|下> 各為 50% 概率的疊加態(tài)。然后，如果 楊戩 對 A 進行測量，A 的疊加態(tài)便在一瞬間坍縮了，比如，坍縮成了 |上>?，F(xiàn)在，問題就來了：既然 楊戩已經(jīng)測量到 A 為 |上>，因為自旋量守恒，哪吒測量得到的B 就一定要為 |下>。但是，此時的 A 和 B 之間已經(jīng)相隔非常遙遠，不要說從朝歌到西岐，哪怕相隔整個宇宙，B粒子仍然能夠做到總是選擇|下>。
難道，A 粒子和B粒子之間有某種不為人知的方式及時地“互通消息”？
愛因斯坦認為量子糾纏這種超距相互作用是不可思議的，因此他認為量子力學(xué)是不完備的，他希望建立一個更普適的局域?qū)嵲谡摾碚搧韽浹a量子理論的不足，消除超距作用。作為愛因斯坦思想的繼承人，玻姆在1952年在引入了 “隱變量”，在局域?qū)嵲谡摰幕A(chǔ)上形成了一個完全決定性的理論——局域隱變量理論。
物理學(xué)的任務(wù)，就是要驗證究竟是量子力學(xué)理論正確且完備還是局域隱變量理論正確且完備，兩者必居其一。其中引發(fā)了無數(shù)口水仗，但是沒有一個人能夠設(shè)計出一個實驗給出令人信服地證明。
1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的測量值都不大于2。而用量子力學(xué)理論，可以得出其最大值可以到2√2。一旦實驗測量的結(jié)果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。
約翰·貝爾與貝爾不等式
貝爾不等式的誕生，宣告了量子力學(xué)理論的局域性爭議，從帶哲學(xué)色彩純粹思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學(xué)理論。雖然貝爾作為一個愛因斯坦的追隨者，其研究隱變量理論的初衷是要證明量子力學(xué)的非局域性有誤，可后來所有的實驗都表明局域隱變量理論預(yù)言有誤，而量子理論的預(yù)言與實驗一致。
1972年，John Clauser和Stuart Freedman在加州大學(xué)柏克萊分校完成第一次貝爾定理實驗，因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之間距離太小，不足以說明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有說服力。
1982年，Alan Aspect等人在巴黎第十一大學(xué)改進Clauser和Freedman貝爾定理實驗，實驗結(jié)果違反貝爾定理。
1998年，Anton Zeilinger等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成貝爾定理實驗，徹底排除定域性漏洞，實驗結(jié)果具有決定性。
2015年，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)的Ronald Hanson研究組報道了他們在金剛石色心系統(tǒng)中完成的驗證貝爾不等式的實驗。要避免局域性漏洞，只需把兩個金剛石色心放置在相距1.3公里的兩個實驗室。利用糾纏光子對和糾纏交換技術(shù)，他們實現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏。兩個色心直接用光通訊所需時間大概4.27微秒，而完成一次實驗的時間為4.18微秒，比光通信時間少90納秒，因此解決了局域性漏洞。此外，色心的測量效率高達96%，測量漏洞也被堵上了?？傊麄兟暦Q實現(xiàn)了無漏洞的驗證貝爾不等式的實驗，在96%的置信度（2.1個標準差）上支持量子理論，從而證偽了局域的隱變量理論。
事已至此，隱變量理論的擁護者已經(jīng)被逼到墻角，但是他們?nèi)圆凰佬?，提出了一種解釋，認為在糾纏量子的測量中，量子可能是有意識的。一個糾纏量子感知到觀測者將要測量它的方式，就可以提前和另一個糾纏量子串通好，使得觀測者得出儼然有超距影響的誤導(dǎo)結(jié)果。
為了徹底封死反對者的借口，量子物理學(xué)家設(shè)計了所謂的大貝爾實驗（the Big Bell Test），其設(shè)計思想是：用觀測者的自由意志，來對抗糾纏量子的意識，如果觀測者隨機選擇測量方法，糾纏量子就措手不及，沒有提前串通的機會。若隨機選擇測量方法仍然得到超距測量結(jié)果，那就說明超距影響的確存在。
反方拿出粒子具有意識來進行反駁，正方則說，由于人具有自由意志，粒子不可能預(yù)測出人會做出怎樣的選擇吧？到這一步，無論是量子力學(xué)的正方和反方，都已經(jīng)脫離了我們通常認知的科學(xué)范疇，來到玄學(xué)的邊緣了。
就是這樣一個看起來具有玄學(xué)色彩的實驗，居然還真的實施了。
2016年11月30日,全球9個研究機構(gòu)（格里菲斯大學(xué)量子計算和通信技術(shù)中心、昆士蘭大學(xué)工程量子系統(tǒng)中心、康塞普西翁大學(xué)電機系（包括三個子節(jié)電林雪平大學(xué)電機系、塞爾維亞大學(xué)和羅馬大學(xué)物理系）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、光子科學(xué)研究所、量子光學(xué)和量子信息研究所、慕尼黑大學(xué)、尼斯大學(xué)凝聚態(tài)物理實驗室、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子器件實驗室）以及世界各地、各種年齡的10萬名志愿者共同開展大貝爾實驗。
在實驗中，所有志愿者都需要基于個人的自由意志不斷地進行選擇形成二進制隨機數(shù)，在過關(guān)游戲中快速隨機地按下0或者1，12小時內(nèi)共持續(xù)產(chǎn)生每秒逾1000比特的數(shù)據(jù)流，全部記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端，并被實時和隨機地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團隊，用以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗，實驗結(jié)果強烈否定愛因斯坦的定域性原理。
盡管像愛因斯坦這樣的頂級物理學(xué)家都無法理解，但實驗確鑿地證明了量子糾纏態(tài)確實存在。以下是愛因斯坦和量子力學(xué)的主要奠基人之一波爾當年爭論的畫風(fēng)，一句話總結(jié)就是，在量子力學(xué)的世界中，“上帝也瘋狂，世界充滿隨機”。
量子態(tài)一方面是隨機的，另一方面又體現(xiàn)了信息的超距傳輸，其中深刻揭示了宇宙的本質(zhì)，特別是物質(zhì)、信息（意識）、時間、空間之間的關(guān)系，并不是我們通常認知的那樣。
但其關(guān)系具體是什么樣，目前還沒有人能說得清楚，以至于艾隆·馬斯克等人堅定地認為，世界是被模擬出來的，人類生活在真實世界的幾率不足十億分之一。
如果世界真的是被模擬出來的，那么開頭所提到的這個實驗提供了我們hack這個模擬世界的工具，宇宙最基本的函數(shù)也許就是太極陰陽魚，宇宙是無數(shù)陰陽魚疊加形成的。如果我們能進一步破譯它，也許就可能達到如《封神演義》中的通天教主一般的境界，“重開地水火風(fēng)，創(chuàng)造一個新世界”！
那么，中國古人是如何認識到太極圖案的？又為什么認為，它藏著宇宙中最根本的秘密呢？
（未完待續(xù)）
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