剛剛，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位量子信息科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家。
2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿蘭·阿斯佩克特、約翰·克勞瑟和安東·澤林格，'因?yàn)樗麄冞M(jìn)行了糾纏光子的實(shí)驗(yàn)，確立了對(duì)貝爾不等式的不成立并開(kāi)創(chuàng)了量子信息科學(xué)。'
阿蘭·阿斯佩克特、約翰·克勞瑟和安東·澤林格分別利用糾纏的量子態(tài)進(jìn)行了突破性的實(shí)驗(yàn)，在這種情況下，兩個(gè)粒子即使被分開(kāi)也表現(xiàn)得像一個(gè)整體。他們的成果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路。
在所有奇特的量子效應(yīng)中，量子糾纏或許是最令人難以理解的——在通俗讀物中，它常常被描述為“兩個(gè)微觀粒子存在某種關(guān)聯(lián)，無(wú)論它們距離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的性質(zhì)發(fā)生變化，另一個(gè)能瞬間'感知’到它的狀態(tài)從而發(fā)生變化。但并沒(méi)有違反相對(duì)論”；這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”（spooky action at a distance）。愛(ài)因斯坦的這句話甚至成了量子糾纏最著名的標(biāo)語(yǔ)。關(guān)于量子糾纏的探索起源于愛(ài)因斯坦和兩位合作者發(fā)表的一篇著名的關(guān)于探討量子力學(xué)完備性的論文，后來(lái)被稱為EPR佯謬。1964年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·貝爾（John Stewart Bell）提出了貝爾定理和貝爾不等式，使EPR佯謬成為了一個(gè)可以實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的問(wèn)題——量子是非定域性的嗎？
本文的原標(biāo)題是《并不存在什么“幽靈般的超距作用”》（There is no'spooky action at a distance’），這是因?yàn)閻?ài)因斯坦是從定域性考慮的，而如果我們認(rèn)定量子的非定域性，糾纏就不是真正的“作用”，這種反直覺(jué)正反映了量子的微觀世界和宏觀世界的最大差別。數(shù)十年來(lái)，為了檢驗(yàn)量子的非定域性，物理學(xué)家在貝爾的基礎(chǔ)上找到并填補(bǔ)了各種檢測(cè)的漏洞，而量子力學(xué)一次又一次通過(guò)了考驗(yàn)。量子糾纏是存在的，但我們今天仍不能完全理解量子的“本質(zhì)”。
本文經(jīng)授權(quán)摘自《量子力學(xué)，怪也不怪》（Beyond Weird:Why everthing you thought you knew about quantum physics is different，廣西師范大學(xué)出版社，2022.1），標(biāo)題為編者所加。
撰文丨菲利普·鮑爾（Philip Ball）
翻譯丨丁家琦
我們永遠(yuǎn)不能忘記這一點(diǎn)：“真實(shí)”，同“波”和“意識(shí)”一樣，也是人造的詞語(yǔ)。我們的任務(wù)則是學(xué)會(huì)正確地，也即毫無(wú)歧義且連貫一致地使用這些詞。
——尼爾斯·玻爾
1．引言
法國(guó)科學(xué)家Alain Aspect于1981發(fā)出了他們用一個(gè)高效源提供改進(jìn)統(tǒng)計(jì)精度和做新實(shí)驗(yàn)的能力而測(cè)得的：在“鈣”的放射原子級(jí)聯(lián)中，輻射出的光子的偏振相關(guān)性，越出了現(xiàn)實(shí)局域理論的整個(gè)級(jí)別，偏振源分開(kāi)到
所謂：“Bell不等式”是判斷Einstein根據(jù)“物理實(shí)在獨(dú)立于觀測(cè)者而客觀地存在”和“粒子間傳遞信息不超過(guò)光速，不存在超距作用的定域性原理”而與Bohr辯論“量子力學(xué)”是否完備的標(biāo)準(zhǔn)。
而這個(gè)實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為：在特定的情況下，同時(shí)向相反方向發(fā)射的次級(jí)粒子，不管彼此距離多遠(yuǎn)，都能夠彼此互通信息。在一方被影響而改變方向時(shí)，雙方會(huì)同時(shí)改變方向。而也許會(huì)成為二十世紀(jì)最重要的實(shí)驗(yàn)。
還激發(fā)了一些更為“尖銳”的解釋。例如，倫敦大學(xué)的物理學(xué)家David Bohm相信Aspect的發(fā)現(xiàn)意味著客觀現(xiàn)實(shí)并不存在，盡管宇宙看起來(lái)具體而堅(jiān)實(shí)，其實(shí)只不過(guò)是一個(gè)巨大而細(xì)節(jié)豐富的全息照片（Hologram）般的幻象。
這就提出了一個(gè)尖銳的問(wèn)題：“宇宙究竟是客觀現(xiàn)實(shí)，或只不過(guò)是幻象” ？！
因此，必須對(duì)此，認(rèn)真考查、弄清真相。
A. Einstein, B. Podolsky,
在這篇文章中，作者們首先闡述了他們對(duì)物理理論的看法： 一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢砝碚搼?yīng)該要區(qū)別「客觀實(shí)體」(object reality) 及對(duì)它的運(yùn)作?？陀^實(shí)體應(yīng)獨(dú)立于理論而存在。判斷理論是否成功，應(yīng)問(wèn)自己兩個(gè)問(wèn)題：
(1)理論是否正確? (2) 理論的描述是否完備?
只有這兩個(gè)問(wèn)題都是肯定的，這理論才能令人滿意。
理論的正確性當(dāng)由實(shí)驗(yàn)來(lái)決定。
而此文探討的主題則是“量子力學(xué)的描述是否完備”。
其實(shí)，Einstein 一直對(duì)量子力學(xué)的機(jī)率解釋感到不滿，他曾在寫(xiě)給 Born 的信中提到：“量子力學(xué)雖然令人贊嘆，但在我的心中有個(gè)聲音告訴我， 它還不是那真實(shí)的東西……我無(wú)論如何不相信上帝會(huì)在擲骰子!”
檢驗(yàn)非定域性的各種漏洞
科學(xué)家花了很多年才搞清楚愛(ài)因斯坦對(duì)EPR“悖論”的推理哪里錯(cuò)了。問(wèn)題在于，量子力學(xué)中看起來(lái)稀松平常的常識(shí)，背后常常都有問(wèn)題。
愛(ài)因斯坦及其同事做了一個(gè)非常理所當(dāng)然的“定域性假設(shè)”：一個(gè)粒子的屬性只局限在這個(gè)粒子上，而此處發(fā)生的事情必須經(jīng)過(guò)在空間中的傳播才能影響彼處發(fā)生的事情。這看起來(lái)完全不言自明，根本不像個(gè)假設(shè)。
然而量子糾纏顛覆的，恰恰是這種定域性，這也是為什么用“幽靈般的超距作用”這種角度來(lái)看待它完全錯(cuò)誤。我們不能把EPR實(shí)驗(yàn)中的粒子A和粒子B看作相互分離的兩個(gè)實(shí)體，哪怕它們?cè)诳臻g上是分離的。在量子力學(xué)中，糾纏讓這兩個(gè)粒子變成了同一物體的不同部分?；蛘邠Q句話說(shuō)，粒子A的自旋并不僅僅位于A這里，就像一個(gè)板球的紅色局限在這個(gè)板球上那樣。在量子力學(xué)中，屬性可以是非定域性的，只有先接受了愛(ài)因斯坦定域性假設(shè)，我們才需要說(shuō)對(duì)粒子A的測(cè)量結(jié)果會(huì)“影響”粒子B。量子非定域性的整個(gè)觀念都與此不同。
其實(shí)，我們?cè)谶@里討論的，其實(shí)是另一種量子疊加態(tài)。疊加態(tài)指這樣一種情形：對(duì)量子物體的測(cè)量可能產(chǎn)生兩種或更多的可能結(jié)果，但我們?cè)跍y(cè)量之前不知道結(jié)果會(huì)是哪個(gè)，只知道它們各自出現(xiàn)的相對(duì)概率。糾纏是同一個(gè)思想，只是應(yīng)用在了兩個(gè)或更多的粒子上：粒子A自旋向上同時(shí)B自旋向下，與正好相反的布局，兩種狀態(tài)的疊加。兩個(gè)粒子雖然彼此分離，但一定仍然由同一個(gè)波函數(shù)來(lái)描述。我們不能把這個(gè)波函數(shù)拆解開(kāi)，成為相互獨(dú)立的兩個(gè)粒子波函數(shù)的某種組合。
量子力學(xué)可以眼都不眨地輕易接受這種觀念：寫(xiě)下它的數(shù)學(xué)公式就好了。問(wèn)題在于如何形象化地說(shuō)明其意義。
1964年8. J. Bell 在Physics I 上發(fā)表了“On the Einstein Podolsky Rosen paradox”的文章。與Einstein類似地設(shè)計(jì)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，裝置 A、B兩個(gè)探測(cè)器，測(cè)量?jī)蓚€(gè)單態(tài)(singlet state)的自旋1/2粒子a, b, c，3個(gè)任意不同方向的自旋分量。（此前，1951 年，已有Princeton 大學(xué)教授David Bohm 提出了兩個(gè)探測(cè)器，測(cè)量?jī)蓚€(gè)單態(tài)(singlet state)的自旋1/2粒子必然彼此相反，或相互垂直自旋分量的類似理想實(shí)驗(yàn)），而能推導(dǎo)出了一個(gè)不等式，即所謂：“Bell不等式”。說(shuō)明了定域性隱變量理論的相關(guān)性(correlation)和量子力學(xué)是不同的。
指出任何企圖保持Einstein定域性原則的隱變量理論都將不能和量子力學(xué)相容。這就是著名的Bell 定理。
后來(lái)Bell及其后繼者都曾改進(jìn)并推廣這個(gè)不等式。J.F.Clauser 及M.A.Horne 等于1969 年改進(jìn)并推廣了Bell 不等式。他們的方案是利用光子對(duì)的偏振(polarization)相關(guān)性。并提出了可行的實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)Bell 不等式。其它如E.P.Wigner,A.Shimony,H.P.Stapp 等人也都相繼提出了類似的不等式。
而所謂Bell不等式已是此類不等式的通稱。
實(shí)驗(yàn)證明符合量子力學(xué)的結(jié)果
1976年Clauser重復(fù)1973年Holt和Pipkin的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而和Holt及Pipkin相同得到違背量子力學(xué)的結(jié)果。但是Clauser發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)裝置中一個(gè)裝有電子槍和汞蒸氣的Pyrex（一種耐熱玻璃）球壁上有不正常的應(yīng)力。在修正此項(xiàng)錯(cuò)誤之后就得到了符合量子力學(xué)的結(jié)果。也就是，已經(jīng)按Bell 不等式，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子力學(xué)的的正確性。
1981年Alain Aspect測(cè)得：在“鈣”的放射原子級(jí)聯(lián)中輻射出的光子的線偏振相關(guān)性。與量子力學(xué)非常一致，偏振源分開(kāi)到
1997年，由日內(nèi)瓦大學(xué)Nicolas Gisin所領(lǐng)導(dǎo)的研究人員證明被擾亂的成對(duì)光子，即使經(jīng)由光纖網(wǎng)路送到相距
1998年10月，在巴爾的摩所舉行的美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)會(huì)議中，Los Alamos美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Paul Kwiat和他的 同事們宣布他們建立的一個(gè)混亂光子對(duì)的超亮光源，在少于3分鐘的時(shí)間內(nèi)，得到違反貝爾不等式242個(gè)標(biāo)準(zhǔn)誤差的結(jié)果。
同時(shí)，由Anton Zeilinger所領(lǐng)導(dǎo)的因斯布魯克大學(xué)的研究組將探測(cè)器相距
可見(jiàn)，這些實(shí)驗(yàn)都充分證明了量子力學(xué)的的正確性。特別是，證實(shí)了微觀粒子之間存在著所謂：“量子糾纏”（quantum entanglement）。即在量子力學(xué)中，有共同來(lái)源的兩類微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，不管它們被分開(kāi)多遠(yuǎn)，都一直保持著糾纏的關(guān)系，對(duì)一類粒子擾動(dòng)，另一類粒子（不管相距多遠(yuǎn)）就有確定關(guān)系的相應(yīng)擾動(dòng)。
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