Anton Zeilinger：量子物理學(xué)家，長(zhǎng)期從事量子物理和量子信息方面的前沿研究，是國(guó)際上量子物理基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子信息的先驅(qū)。1997年，他和同事首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作。他還與合作者提出并在實(shí)驗(yàn)中制備首個(gè)多粒子糾纏態(tài)；在國(guó)際上率先開展中子、原子、大分子的量子干涉實(shí)驗(yàn)；進(jìn)行量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)……
因其杰出貢獻(xiàn)，塞林格榮獲了眾多重要獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2007年度艾薩克·牛頓獎(jiǎng)、2010年度沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)、2019年度墨子量子獎(jiǎng)等。
大約從20世紀(jì)70年代開始，人們開始在實(shí)驗(yàn)上深入探索量子世界，思考這個(gè)世界是否真的如此奇妙。當(dāng)時(shí)并不是為了應(yīng)用而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，新生的嬰兒又能做什么呢？所以，我們之中的一些人在20世紀(jì)70年代和80年代早期所做的工作并沒有什么實(shí)際用處，而后來我們卻收獲了驚喜。這是我生命中最大的驚喜之一，我確信這樣的事情還會(huì)再發(fā)生。
相信大家對(duì)量子物理的一些基本概念已經(jīng)有所了解了。我想從另外的角度來討論這些概念。你們閑暇時(shí)可以思考一下這些與眾不同的觀念，也許會(huì)對(duì)你有所幫助。
這幅圖是尼爾斯·玻爾所繪畫的雙縫實(shí)驗(yàn)裝置。玻爾是一名丹麥的理論物理學(xué)家，關(guān)于量子力學(xué)，他和愛因斯坦有過激烈的討論，大家一定聽說過這些故事。
請(qǐng)注意圖中最前面的那條縫，它在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中非常重要，它使得光源保持穩(wěn)定，這樣才能看到干涉條紋。當(dāng)一束光——也可以是其他東西，如電子——到達(dá)并透過第一條縫，然后穿過中間的兩個(gè)縫隙，你會(huì)在觀察板上看到明暗相間的條紋。從波的角度出發(fā)，這很好理解，但是如果我們只讓一個(gè)粒子穿過，會(huì)發(fā)生什么呢？當(dāng)只有一個(gè)粒子穿過時(shí)，這個(gè)可憐的粒子會(huì)怎樣呢，它會(huì)落在哪里？
情況似乎是這樣的：當(dāng)一個(gè)粒子落在了某處，你發(fā)射第二個(gè)粒子，它也會(huì)落在某處。如果你發(fā)射了成千上萬(wàn)個(gè)粒子，這些粒子將會(huì)飛過縫隙，產(chǎn)生成千上萬(wàn)個(gè)落點(diǎn)——最后你會(huì)看到明暗相間的條紋。然而，只要你關(guān)閉其中任一條縫隙，這些條紋都將會(huì)消失。也就是說，基本上每個(gè)穿過縫隙的光子都知道這兩個(gè)縫隙是打開的還是關(guān)閉的。
這時(shí)愛因斯坦會(huì)說：“光子本來就必須穿過這兩個(gè)縫隙之一，不是嗎？這有什么意義，只是換個(gè)方式表述了而已。”這是愛因斯坦1909年所說的。他認(rèn)為，一個(gè)光子只能從這里或者那里穿過，所以條紋只會(huì)在很多光子同時(shí)穿過時(shí)出現(xiàn)。它們相遇，互相交流信息，知道哪條縫隙是打開、哪條是關(guān)閉的，從而它們可以重新設(shè)置自身的“性質(zhì)”。
現(xiàn)在已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)可以一次只讓一個(gè)粒子通過。那么，答案是什么呢？目前的觀點(diǎn)是，一個(gè)粒子可能經(jīng)過宇宙中的任意一條路徑，要想觀測(cè)到明暗相間的干涉現(xiàn)象，這只有在沒有路徑信息的時(shí)候才能做到。這就是信息所扮演的角色。很重要的一點(diǎn)是，問題的關(guān)鍵不在于你是否一直盯著粒子看，而是你是否得到了粒子行走路徑的信息。
雙縫干涉實(shí)驗(yàn)通常使用光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不過原則上講，沒道理大的粒子就不會(huì)發(fā)生干涉。但這對(duì)于實(shí)驗(yàn)學(xué)家來說，是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。我們?cè)趪?guó)際上率先開展了中子、原子、大分子的量子干涉實(shí)驗(yàn)。
再提一個(gè)很有名的概念——“薛定諤貓”疊加態(tài)，我們不討論很多細(xì)節(jié)。有人說這只貓是死或生的，這是一個(gè)錯(cuò)誤的說法，應(yīng)當(dāng)說它是處在死和生的疊加態(tài)。那么，我們能在多大的系統(tǒng)里觀測(cè)到這樣的疊加態(tài)呢？它對(duì)系統(tǒng)的尺度有沒有限制？這成為實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)。甚至，我們能在生命系統(tǒng)中觀測(cè)到疊加態(tài)嗎？我的答案是，可以！當(dāng)然，在生命系統(tǒng)中，很多相關(guān)的領(lǐng)域都還是空白。
還有一個(gè)相關(guān)的概念——隨機(jī)性，這是一個(gè)有爭(zhēng)議的概念。假設(shè)我們有一個(gè)非常弱的光源，發(fā)出的光通過一個(gè)玻璃片。這個(gè)玻璃片是一面鏡子，卻不是一面很好的鏡子，它會(huì)反射一半的光，然后讓另外一半透過去。想象你站在商店的櫥窗前，你能看到店里的東西，也能看到自己，它就是這樣的一面鏡子。
那么，大家都來思考一下：如果單個(gè)的光子或單個(gè)的其他粒子來到鏡子上，會(huì)發(fā)生什么呢？這個(gè)粒子會(huì)做什么？它會(huì)穿過去還是被反射？量子物理告訴我們，它不可再分，所以它必須做一個(gè)決定。兩邊都有一個(gè)探測(cè)器，當(dāng)這個(gè)光子被反射了，我們稱這件事為“0”，當(dāng)它穿過去了，我們稱之為“1”。
當(dāng)然，剛才描述它的方式是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@個(gè)粒子并不是去這里或者去那里——它是以兩條路徑的疊加態(tài)形式傳播，就像在雙縫實(shí)驗(yàn)中那樣。它并不知道自己在哪，沒人知道它在哪。但是當(dāng)你在路徑上放了探測(cè)器，某個(gè)時(shí)刻，粒子“啪”的一下撞擊了其中一個(gè)探測(cè)器，這時(shí)候，這個(gè)粒子的疊加態(tài)就塌縮到了這里，也就再也不會(huì)出現(xiàn)在另一個(gè)探測(cè)器上了。在1927年，這樣的事情讓愛因斯坦感到非常困惑。
另外，這個(gè)實(shí)驗(yàn)除了作為一個(gè)有趣的現(xiàn)象，還可以為你提供一串隨機(jī)數(shù)。當(dāng)你一個(gè)接一個(gè)去做很多次這樣的測(cè)量，你會(huì)得到一串隨機(jī)數(shù)。這也是潘建偉教授團(tuán)隊(duì)所從事的一個(gè)重要工作。
現(xiàn)在的問題是，我們能否從原則上解釋：為什么在這種情況下光子會(huì)被反射，而在另外一種情況下光子會(huì)穿過去？量子力學(xué)并沒有給我們解釋?；蛟S不是所有人都同意，但我個(gè)人的詮釋是，這是一種新的隨機(jī)性，一種在經(jīng)典圖像下不存在的隨機(jī)性。這一隨機(jī)性不是由于我們沒有足夠的信息，而是由于這個(gè)世界本身就沒有足夠的信息。這是我個(gè)人的觀點(diǎn)，也是海森堡和玻爾等人的觀點(diǎn)。但愛因斯坦不這么認(rèn)為，他是不喜歡這個(gè)觀點(diǎn)的人之一。他有一句很著名的話：“上帝不擲骰子”。而玻爾回答他“不要教上帝怎么掌管這個(gè)世界”。這個(gè)回答很棒，我想這個(gè)世界上唯一敢于教上帝怎么掌管世界的人就是愛因斯坦了。
當(dāng)一個(gè)粒子或其他物體處在兩個(gè)概率事件的疊加態(tài)時(shí)，我們稱其為量子比特（qubit）。一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)，只有開或關(guān)兩個(gè)狀態(tài)（讓它們分別對(duì)應(yīng)“0”、“1”），可以看做是一個(gè)比特。如果我們進(jìn)行打開或關(guān)閉的動(dòng)作，兩個(gè)狀態(tài)的切換就會(huì)立馬實(shí)現(xiàn)，而一個(gè)量子比特會(huì)是兩個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)。問題是你沒辦法去觀測(cè)它，在你觀測(cè)它的一瞬間，它就會(huì)塌縮成開或關(guān)。但我們只需要想象一下，這東西是0“和”1?！昂汀边@個(gè)字在這里有了新的含義，它的含義和經(jīng)典物理中不一樣，它代表著所有你可能測(cè)到的態(tài)。
1935年，愛因斯坦和波多爾斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）一起發(fā)表了一篇文章，題目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?”（“量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述能被認(rèn)為是完備的嗎？”）。這就是著名的EPR文章。在文章中他們提出，如果有兩個(gè)粒子，它們相互作用后分開，這樣就會(huì)出現(xiàn)對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)影響另一個(gè)粒子的情況。愛因斯坦不喜歡這種事情，并且將其稱為“幽靈般的超距作用”。對(duì)于這篇文章，《紐約時(shí)報(bào)》評(píng)論道：“愛因斯坦攻擊了量子理論：一位科學(xué)家和他的兩個(gè)同事發(fā)現(xiàn)它不完備”。如果你和愛因斯坦一起發(fā)表文章，你就不被稱為“科學(xué)家”了，僅僅是個(gè)“同事”。
隨后，薛定諤用了一個(gè)非常漂亮的詞語(yǔ)來描述這件事。他使用了德語(yǔ)“Verschr?nkung”，意思是兩個(gè)物體關(guān)聯(lián)了起來。但對(duì)應(yīng)的英文翻譯“Entanglement”表意很糟糕，就像在表示一團(tuán)亂麻。相比下，德語(yǔ)名字就好多了，它指的是兩個(gè)事物之間非常好的關(guān)聯(lián)，這個(gè)關(guān)聯(lián)可能在未來被用以實(shí)現(xiàn)“糾纏的骰子”。我們現(xiàn)在買不到它，也許在未來的50年內(nèi)可以買到。所謂糾纏的骰子就是指，無(wú)論這對(duì)骰子相距多遠(yuǎn)，如果你扔了一個(gè)6，那么另一個(gè)也會(huì)是6；如果你扔了一個(gè)3，那么另一個(gè)也會(huì)是3；以此類推。它們完美同步，但實(shí)際上它們之間并沒有連接起來。薛定諤表示這不是我們現(xiàn)在已知的物理，這是新的物理現(xiàn)象。
現(xiàn)在我們開始討論量子密碼學(xué)。量子密碼學(xué)有趣的地方是，兩個(gè)人用經(jīng)典的信道來交換信息，然后他們使用量子信道來建立秘鑰。你可以讓竊聽者操作所有的信道，但只要你操作正確，就算是Makarov教授（注：一位著名的量子黑客）來做信道攻擊，你仍然是完全安全的，竊聽者無(wú)法獲得任何信息。實(shí)現(xiàn)的方法之一就是利用糾纏。
首先，我們生成一對(duì)糾纏的光子，比如它們?cè)谄窬S度發(fā)生糾纏，然后把它們往兩端傳輸。這時(shí)，位于兩端的Alice和Bob測(cè)量它們的偏振。在每一端，都能測(cè)到垂直或水平偏振，也就是0或者1。重點(diǎn)是，如果Alice和Bob在兩端進(jìn)行同樣方式的偏振測(cè)量，那么兩人的結(jié)果就會(huì)完美相關(guān)：要么都是0，要么都是1。
Alice和Bob獲得了兩個(gè)隨機(jī)數(shù)序列，它們是完美關(guān)聯(lián)的，也就是同時(shí)在兩地生成了秘鑰。注意，在這種方式中你不需要傳輸秘鑰，它是由阿圖爾·埃克特（Artur Ekert）最早提出的。你需要做的是，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)加密。比如Alice想要發(fā)送一張圖片，那么我們將要發(fā)送的圖片和Alice的秘鑰這兩組數(shù)據(jù)混合成一幅圖，這就是傳輸過程中間的加密圖片。由于采用“一次一密”的加密技術(shù)，其他人無(wú)從破解這張圖到底是什么。但是Bob有相同的秘鑰，他可以一個(gè)比特、一個(gè)比特地將這幅圖解碼出來。
量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation），這是一種奇特的量子現(xiàn)象，你們或許聽過它。
在科幻作品中，量子隱形傳態(tài)大概就是大喊一聲：“Scotty，傳送我”(注：《星際迷航》中的經(jīng)典臺(tái)詞)。那你們知道為什么在電影中會(huì)這么拍嗎？電影中這么拍是為了節(jié)省制作成本！一艘飛船到達(dá)地面，你看著它著陸，拍攝這樣的場(chǎng)景是很貴的。但是拍攝一束光把人傳過去的場(chǎng)景就不貴了。
電影中的設(shè)定是掃描信息、傳輸信息，然后重組物質(zhì)。這個(gè)設(shè)定已經(jīng)被很多人批評(píng)，因?yàn)檫@是不可能實(shí)現(xiàn)的。由于量子力學(xué)原理，如果你只有一個(gè)系統(tǒng)，我們是無(wú)法獲得系統(tǒng)的所有信息的。海森堡，量子力學(xué)奠基人之一，說“不可能完全測(cè)量出系統(tǒng)狀態(tài)的全部信息”。所以電影制作人私下里發(fā)明了“海森堡補(bǔ)償”的概念，當(dāng)然這實(shí)際上并不存在。
正如海森堡所說，你無(wú)法完整的測(cè)量出要傳輸?shù)某鯌B(tài)的信息，而量子隱形傳態(tài)妙就妙在：你并不測(cè)量要傳輸?shù)某鯌B(tài)，你僅僅只是利用了糾纏。借助量子糾纏，我們可以將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)的地點(diǎn)。1997年，我和同事首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)非常成功。潘建偉也是這一個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要參與者之一。
在最初的實(shí)驗(yàn)中，我們所實(shí)現(xiàn)的傳輸距離很短。后來，我們又完成了跨越多瑙河的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，以及非洲加那利群島之間的遠(yuǎn)距離糾纏和隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。島嶼之間的距離是百公里左右，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)這都是糾纏分發(fā)的最長(zhǎng)紀(jì)錄。現(xiàn)在很顯然，它被“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星打敗了。
墨子是中國(guó)古代的一位哲學(xué)家，他是第一個(gè)證明光沿直線傳播的人。你可能會(huì)說，這不是很顯然的嗎？但它是需要證明的?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星的命名就是為了紀(jì)念他。通過“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，科學(xué)家們不僅實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，還實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)洲際量子通信實(shí)驗(yàn)。
中國(guó)在遠(yuǎn)距離量子通信領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先于世界。通過“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星以及上海和北京之間的量子“京滬干線”，他們?cè)谇Ч锛?jí)距離上實(shí)現(xiàn)了糾纏分發(fā)和量子通信。全球性量子網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)景也很令人振奮：地面上，我們有局域網(wǎng)，通過空氣和光纖來傳播光子；然后建立地面和量子衛(wèi)星的聯(lián)系，從而把信號(hào)傳到世界上任何一個(gè)地方。我們也想在歐洲建立一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，不過尺度比中國(guó)的要小得多。
我相信，我們會(huì)為未來的發(fā)展感到震驚。
（整理、節(jié)選自作者2019年在“墨子沙龍”的演講）
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