10月4日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布。獎(jiǎng)項(xiàng)頒發(fā)給了法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻(xiàn)。

消息一出，“量子糾纏”一度登上了熱搜首位。隨即，我們看到艱深的物理話題引發(fā)熱烈討論。媒體想了千奇百怪的比喻來(lái)科普量子糾纏多么奇妙；段子手們說(shuō)諾貝爾也“遇事不決量子力學(xué)”；各路高人感嘆科學(xué)的盡頭是玄學(xué)，并對(duì)人生、宇宙、未來(lái)發(fā)出長(zhǎng)篇大論的感慨。

(資料圖)

這些內(nèi)容看多了之后，似乎我們會(huì)有這樣一個(gè)感覺(jué)：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是頒給了某項(xiàng)特別神秘、宏大、不可思議的發(fā)現(xiàn)。量子糾纏的下一步，就是時(shí)空穿越、心靈感應(yīng)、四維空間。

被神秘和遙遠(yuǎn)吸引，是人類(lèi)的本性。但大家在暢想量子糾纏的“詩(shī)與遠(yuǎn)方”時(shí)，可能忽略了另一個(gè)問(wèn)題：這次諾貝爾獎(jiǎng)的三位得主，并不是量子糾纏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者，甚至他們的工作領(lǐng)域并不是理論物理。

與量子糾纏這個(gè)概念所帶有的神秘與超現(xiàn)實(shí)氛圍不同，三位諾獎(jiǎng)得主的主要工作方向是務(wù)實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)物理。也就是在數(shù)十年間一次次的實(shí)驗(yàn)中，人類(lèi)對(duì)量子糾纏的認(rèn)知，有了緩慢但真實(shí)的推進(jìn)，量子信息科學(xué)這樣一個(gè)全新應(yīng)用方向才得以打開(kāi)。

祛魅，是指科學(xué)知識(shí)中神秘性、神圣性和魅惑力的消解。這個(gè)詞用來(lái)形容人類(lèi)對(duì)量子糾纏的認(rèn)知?dú)v史非常合適。在聽(tīng)多了量子糾纏有多么神奇、多么偉大之后，我們不妨從另一個(gè)簡(jiǎn)樸至極的角度——做實(shí)驗(yàn)，來(lái)重新回溯這段歷史。

這段歷史講的不是科學(xué)的盡頭是玄學(xué)，而是科學(xué)終將解釋更多，是實(shí)驗(yàn)精神終將勝利。

爭(zhēng)論起源：微觀世界與EPR佯謬

今天我們隨處能看到很多關(guān)于量子世界、時(shí)間與空間的高談闊論。但這其實(shí)并不新鮮，100年前大體也是如此。早在19世紀(jì)末，伴隨著經(jīng)典物理學(xué)得到了極大發(fā)展，無(wú)論是學(xué)界還是社會(huì)輿論，都開(kāi)始將目光望向微觀系統(tǒng)。20世紀(jì)初，量子力學(xué)的理論解釋工作開(kāi)始推動(dòng)。伴隨著來(lái)自全球的關(guān)注，這個(gè)領(lǐng)域的爭(zhēng)議與討論也開(kāi)始豐富了起來(lái)。

量子糾纏的概念爭(zhēng)議，就來(lái)自被稱(chēng)為世紀(jì)之爭(zhēng)的量子物理辯論。所謂量子糾纏，是一種微觀世界中奇特的量子力學(xué)現(xiàn)象。處于糾纏狀態(tài)的兩個(gè)量子，不論相隔多遠(yuǎn)都會(huì)存在某種關(guān)聯(lián)性。這個(gè)顯然違反經(jīng)典物理學(xué)的設(shè)想，其實(shí)是來(lái)自一種悖論假說(shuō)。

1935年，正在與玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派的愛(ài)因斯坦，聯(lián)合了羅森、波多爾斯基共同發(fā)表了論文《物理實(shí)在的量子力學(xué)描述能否被認(rèn)為是完備的？》。后人以三人名字的首字母命名其為“EPR”論文。文章中，愛(ài)因斯坦質(zhì)疑了玻爾等人提出的量子力學(xué)設(shè)想，認(rèn)為一個(gè)粒子只能在局部擁有其所有特性并決定所有測(cè)量結(jié)果。如果量子系統(tǒng)真的具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)，那么這種管理關(guān)系要么會(huì)以超光速發(fā)生，但這顯然違背了相對(duì)論；要么當(dāng)時(shí)的量子力學(xué)設(shè)想具有某種不完備性，缺少前置條件。這個(gè)悖論被稱(chēng)為“EPR佯謬”。

由于EPR佯謬是以思想實(shí)驗(yàn)的方式提出的。于是玻爾在進(jìn)行回?fù)魰r(shí)，也主要抓住了思想實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件不充分、觀測(cè)手段與觀察方法有謬誤等方向進(jìn)行。這里我們無(wú)意也沒(méi)有能力對(duì)物理學(xué)命題進(jìn)行深入探討。但可以發(fā)現(xiàn)的是，最初對(duì)量子糾纏是否為悖論的討論，就集中在實(shí)驗(yàn)是否可行，以及實(shí)驗(yàn)的前提條件、觀測(cè)手段等等。量子力學(xué)的世紀(jì)論戰(zhàn)，并不是很多人想象的華山論劍，珍瓏棋局，而是發(fā)起于實(shí)驗(yàn)，聚焦于實(shí)驗(yàn)條件是否成立，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可信任，實(shí)驗(yàn)過(guò)程是否可重復(fù)。

“做個(gè)實(shí)驗(yàn)”——也成為接下來(lái)數(shù)十年量子糾纏探索的真正主題。

實(shí)驗(yàn)檢索：光子糾纏與證偽貝爾不等式

為了在實(shí)驗(yàn)中探索量子糾纏是否可行，物理學(xué)界需要兩項(xiàng)最重要的基礎(chǔ)：實(shí)驗(yàn)介質(zhì)與實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

在用什么可以證明量子糾纏這一點(diǎn)上，物理學(xué)家約翰·惠勒在1946年找到了辦法：用光。

光是一種具有振動(dòng)方向的波動(dòng)傳導(dǎo)。自然界的光往往是光線隨機(jī)混合在一起的，但如果通過(guò)某種實(shí)驗(yàn)手段，讓光的振動(dòng)方向被限制，成為只沿著一種方向振動(dòng)的偏振光，就可以對(duì)光的振動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。光子糾纏易操作，易觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受其他因素干擾較少，成了此后對(duì)量子糾纏效應(yīng)的主要實(shí)驗(yàn)手段。約翰·惠勒認(rèn)為，按照量子力學(xué)的理論框架，正負(fù)電子對(duì)湮滅后生成的一對(duì)光子應(yīng)該具有不同的偏振方向。1950年，著名華裔女科學(xué)家吳健雄宣布成功實(shí)現(xiàn)了光子糾纏實(shí)驗(yàn)，生成了歷史上第一對(duì)偏振方向相反的糾纏光子。從那時(shí)起，關(guān)于量子糾纏的實(shí)驗(yàn)探索正式啟動(dòng)，到如今已經(jīng)經(jīng)歷了70年歲月。

有了實(shí)驗(yàn)方法，下一個(gè)問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。究竟如何確定量子糾纏效應(yīng)是否真的能夠跨越距離限制？這里就要提到1964年英國(guó)物理學(xué)家約翰·貝爾提出了以他名字命名的數(shù)學(xué)不等式——貝爾不等式。貝爾提出，如果存在隱藏變量，大量測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性將永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)某個(gè)值。如何量子糾纏的真實(shí)情況符合量子力學(xué)的理論預(yù)測(cè)，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果將違反貝爾不等式，從而導(dǎo)致超過(guò)不等式預(yù)設(shè)，粒子之間展現(xiàn)出更強(qiáng)的相關(guān)性。

從這里開(kāi)始，2022年物理諾貝爾獎(jiǎng)得主們走到了舞臺(tái)中央。

1972年，約翰·克勞澤發(fā)展了貝爾不等式的想法，進(jìn)行了實(shí)際的量子糾纏實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)一次發(fā)射兩個(gè)糾纏光子，每個(gè)光子射向檢測(cè)偏振的濾光片，以此來(lái)觀察產(chǎn)生的光子糾纏情況。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，與量子糾纏的設(shè)想一致。

但在當(dāng)時(shí)，這種實(shí)驗(yàn)引發(fā)了很多質(zhì)疑，甚至被指出了很多漏洞。比如實(shí)驗(yàn)在制備和捕獲粒子方面效率太低、測(cè)量方式存在問(wèn)題、糾纏粒子之間距離太小等等，其結(jié)果并不具備說(shuō)服力。盡管面對(duì)著諸多挑戰(zhàn)，但克勞澤教授一直堅(jiān)持著光子糾纏的實(shí)驗(yàn)方向，并進(jìn)行了源源不斷地實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，最終證明了量子糾纏的超遠(yuǎn)距離干涉確實(shí)存在。

除了約翰·克勞澤之外，其他人也在積極探索證偽貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。1982年，另一位諾獎(jiǎng)得主阿蘭·阿斯佩等人改進(jìn)并完善了克勞澤的實(shí)驗(yàn)方法。在糾纏粒子離開(kāi)發(fā)射源后，通過(guò)切換測(cè)量設(shè)置的方式來(lái)確保制備粒子的方法不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1998年，第三位諾獎(jiǎng)得主安東·蔡林格等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成貝爾定理實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多粒子糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)，徹底排除了定域性漏洞，以決定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了量子糾纏真實(shí)存在。同時(shí)，蔡林格團(tuán)隊(duì)的多粒子實(shí)驗(yàn)可開(kāi)創(chuàng)了量子通信與密碼學(xué)的諸多可能性。1997年，其團(tuán)隊(duì)完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為量子信息學(xué)奠定了基礎(chǔ)。2015年，安東·蔡林格團(tuán)隊(duì)又完成了無(wú)漏洞的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在50年間，一次次的實(shí)驗(yàn)跋涉，最終證明所有結(jié)果都證偽貝爾不等式，支持量子力學(xué)對(duì)微觀世界的法則設(shè)想。

至此我們才知道，量子糾纏是真實(shí)存在的。

持續(xù)探索：進(jìn)入新世紀(jì)的大型實(shí)驗(yàn)

有了基礎(chǔ)方法與基礎(chǔ)結(jié)論，量子糾纏的科學(xué)價(jià)值也就愈發(fā)明晰?？茖W(xué)界的好奇開(kāi)始由量子糾纏是否存在，轉(zhuǎn)向了我們能否控制量子糾纏，以及能否通過(guò)量子糾纏窺探充滿(mǎn)未知的微觀世界。這個(gè)過(guò)程中，不斷輸出的量子糾纏實(shí)驗(yàn)成果，也像很多科學(xué)發(fā)展一樣“沿途下蛋”，打開(kāi)了量子信息學(xué)這個(gè)應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展空間。

在這個(gè)過(guò)程中，激光的發(fā)展和應(yīng)用成了探索光子糾纏的主要路徑，這也是我們看到很多量子實(shí)驗(yàn)設(shè)備都與激光緊密相連的原因。通過(guò)激光脈沖，光子糾纏現(xiàn)象可以被更精準(zhǔn)、高效地控制和觀察。多粒子糾纏態(tài)的研究與探索成了學(xué)界主流，造價(jià)昂貴、高度精密的量子實(shí)驗(yàn)設(shè)備也登上了歷史舞臺(tái)。

隨著量子糾纏實(shí)驗(yàn)的價(jià)值愈發(fā)明晰，其帶來(lái)的量子信息學(xué)價(jià)值產(chǎn)出更加充沛，同時(shí)實(shí)驗(yàn)成本不斷增大。量子糾纏開(kāi)始成為國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，以及科技戰(zhàn)略的重點(diǎn)傾斜方向。最近幾天，大量媒體都在討論中國(guó)在量子糾纏領(lǐng)域研究處于世界第一方陣，其價(jià)值與意義也在于此。

2012年，著名的潘建偉小組首次實(shí)現(xiàn)了八光子糾纏，并成功將該技術(shù)應(yīng)用于拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)和百公里量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。2010年，美國(guó)加州理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了4個(gè)量子接口之間的糾纏。之后清華大學(xué)段路明團(tuán)隊(duì)通過(guò)光束復(fù)分技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口之間的量子糾纏。至此，量子加密、量子網(wǎng)絡(luò)等量子信息學(xué)成果開(kāi)始步入新的發(fā)展階段。

2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星完成了全新的量子通信進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在在1200公里的通信距離，以衛(wèi)星量子誘騙態(tài)光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，極大豐富了量子通信的實(shí)驗(yàn)手段，并為量子通信走向應(yīng)用奠定了新的基礎(chǔ)。

在光子糾偏之外，以超導(dǎo)微波來(lái)誘發(fā)量子糾偏，是另一種目前階段的主要實(shí)驗(yàn)思路。也是通用型量子計(jì)算機(jī)的主要探索方向。2018年，芬蘭阿爾托大學(xué)教授麥卡·習(xí)嵐帕團(tuán)隊(duì)對(duì)兩個(gè)獨(dú)自振動(dòng)的鼓膜進(jìn)行了量子糾纏，兩個(gè)鼓膜持續(xù)進(jìn)行了30分鐘左右的互動(dòng)。

對(duì)于量子糾纏的實(shí)驗(yàn)從未止步，就在今年8月《自然》雜志還發(fā)布了德國(guó)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)14個(gè)光子有效糾纏的研究成果。

量子并不代表著神秘莫測(cè)的未知。只有實(shí)驗(yàn)，更精密、豐富、多元的實(shí)驗(yàn)，才能讓量子糾纏從神壇走下，來(lái)到人間。

應(yīng)用黎明：從量子糾纏到量子通信、量子計(jì)算

距離第一次光子糾偏實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)過(guò)去了七十年。雖然在大眾輿論范疇中，我們依舊有太多關(guān)于量子力學(xué)的祛魅工作要完成，畢竟今天的量子就像曾經(jīng)的電能一樣，有很多東西對(duì)大眾來(lái)說(shuō)是反常識(shí)的，但在產(chǎn)學(xué)銜接的端口，量子糾纏的數(shù)十年實(shí)驗(yàn)探索已經(jīng)產(chǎn)出了應(yīng)用成果。其中最為大眾熟悉的就是量子通信與量子計(jì)算。

一方面，這些技術(shù)應(yīng)用了量子糾纏本身的并發(fā)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。比如目前的量子通信，主要是通過(guò)量子加密的方式來(lái)提升信息安全水平，但也有一些量子信息科學(xué)成果，與量子糾纏的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程密不可分。比如光量子計(jì)算機(jī)，就充分應(yīng)用了激光導(dǎo)致光子糾偏的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。目前IBM、谷歌等公司探索的通用量子計(jì)算機(jī)，也與量子糾纏實(shí)驗(yàn)中的超導(dǎo)傳遞、絕對(duì)低溫環(huán)境等發(fā)現(xiàn)緊密相關(guān)。

在今天，我們已經(jīng)在量子糾纏理論得到確認(rèn)，量子糾纏實(shí)驗(yàn)不斷發(fā)展的幫助下，看到了量子應(yīng)用的一點(diǎn)點(diǎn)曙光。盡管這種曙光依舊遙遠(yuǎn)，但可以肯定的是一旦達(dá)到某種臨界點(diǎn)，量子信息學(xué)將對(duì)目前的信息科學(xué)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的巨大影響。

當(dāng)然，利用量子糾纏無(wú)視距離界限傳遞信息的“真·量子通信”尚且遙遠(yuǎn)。目前開(kāi)始探索應(yīng)用的量子通信主要是信息加密與解密手段。而更加飽受期待的量子計(jì)算，還依舊無(wú)法擺脫計(jì)算任務(wù)有限、對(duì)溫度等環(huán)境要求苛刻、造價(jià)巨大等限制。在過(guò)去的內(nèi)容中，我們說(shuō)過(guò)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：每一到兩年，就會(huì)有公司站出來(lái)說(shuō)我們實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的“量子霸權(quán)”。但每次所謂的量子霸權(quán)，都難以自圓其說(shuō)，無(wú)法取得業(yè)界共認(rèn)。

不管怎么說(shuō)，量子糾纏已經(jīng)有一條支脈從實(shí)驗(yàn)室里走出來(lái)，走向了充滿(mǎn)更多挑戰(zhàn)的產(chǎn)業(yè)世界。大環(huán)境下的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展，建設(shè)大型量子計(jì)算設(shè)備，已經(jīng)成為科技巨頭的兵家必爭(zhēng)之地，甚至國(guó)家科技競(jìng)賽的關(guān)鍵。同時(shí)量子加密、量子模擬、量子深度學(xué)習(xí)等產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，正在為量子與現(xiàn)實(shí)世界之間的“糾纏”帶來(lái)更多機(jī)遇，吸引更多人才。

我們?cè)?jīng)采訪過(guò)許多量子科學(xué)與量子計(jì)算領(lǐng)域的老師，他們普遍認(rèn)為，量子科學(xué)在今天需要更多科普，需要號(hào)召更多年輕人加入這個(gè)學(xué)科。

一方面，輿論反復(fù)渲染量子科學(xué)的“高深莫測(cè)”，甚至污名化搞出量子鞋墊、量子速讀，會(huì)令很多學(xué)生對(duì)量子學(xué)科產(chǎn)生擔(dān)憂與畏懼，不看好其就業(yè)前景，從而導(dǎo)致學(xué)科的人才流失。另一方面，社會(huì)中的各種大師，社交媒體上的各路大神，不遺余力發(fā)表著各種各樣的“量子高論”，其實(shí)都與量子科學(xué)沒(méi)有任何關(guān)系。這很容易讓一個(gè)剛剛產(chǎn)生火花的方向，蒙上太多不必要的陰霾。

如果大家真的關(guān)注量子糾纏，那不妨多讀一些科普內(nèi)容，關(guān)注各大科研機(jī)構(gòu)、科技企業(yè)的量子技術(shù)布局。千萬(wàn)不要受到諾獎(jiǎng)新聞?dòng)绊?，去很多“量子X(jué)X”貼吧讀一些民間高手的奇談怪論。那些東西過(guò)于離譜。

不是什么東西都要落到玄學(xué)，時(shí)空，佛性，四維空間，多元宇宙上去?？茖W(xué)世界也沒(méi)有“遇事不決，量子力學(xué)”。量子糾纏的探索，反而是實(shí)驗(yàn)精神的勝利，是人類(lèi)用理性戰(zhàn)勝未知的勝利。

坐而玄談是一種快樂(lè)，甚至是人的本性。但這最多能豐富一下業(yè)余生活，結(jié)交三五知己。真正推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的，是實(shí)驗(yàn)精神與專(zhuān)業(yè)分工，是數(shù)十年如一日的艱苦探索，是不斷提出證偽，找尋漏洞，拓展手段，夯實(shí)結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)精神終將勝利，我們終將像面對(duì)電能、計(jì)算機(jī)一樣面對(duì)量子世界。抵達(dá)終極的辦法只有一個(gè)，就是讓終極成為旅途的一部分。

關(guān)鍵詞： 量子糾纏 量子力學(xué) 貝爾不等式