實驗精神終將勝利：量子糾纏的祛魅七十年

10月4日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎公布。獎項頒發(fā)給了法國科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻。

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科普量子糾纏多么奇妙；段子手們說諾貝爾也“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)，并對人生、宇宙、未來發(fā)出長篇大論的感慨。

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

被神秘和遙遠吸引，是人類的本性。但大家在暢想量子糾纏的“詩與遠方”時，可能忽略了另一個問題：這次諾貝爾獎的三位得主，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。

與量子糾纏這個概念所帶有的神秘與超現(xiàn)實氛圍不同，三位諾獎得主的主要工作方向是務(wù)實、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炍锢?。也就是在?shù)十年間一次次的實驗中，人類對量子糾纏的認(rèn)知，有了緩慢但真實的推進，量子信息科學(xué)這樣一個全新應(yīng)用方向才得以打開。

祛魅，是指科學(xué)知識中神秘性、神圣性和魅惑力的消解。這個詞用來形容人類對量子糾纏的認(rèn)知歷史非常合適。在聽多了量子糾纏有多么神奇、多么偉大之后，我們不妨從另一個簡樸至極的角度——做實驗，來重新回溯這段歷史。

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，是實驗精神終將勝利。

爭論起源：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、時間與空間的高談闊論。但這其實并不新鮮，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，無論是學(xué)界還是社會輿論，都開始將目光望向微觀系統(tǒng)。20世紀(jì)初，量子力學(xué)的理論解釋工作開始推動。伴隨著來自全球的關(guān)注，這個領(lǐng)域的爭議與討論也開始豐富了起來。

量子糾纏的概念爭議，就來自被稱為世紀(jì)之爭的量子物理辯論。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)的兩個量子，不論相隔多遠都會存在某種關(guān)聯(lián)性。這個顯然違反經(jīng)典物理學(xué)的設(shè)想，其實是來自一種悖論假說。

1935年，正在與玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派的愛因斯坦，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)為一個粒子只能在局部擁有其所有特性并決定所有測量結(jié)果。如果量子系統(tǒng)真的具有強關(guān)聯(lián)態(tài)，那么這種管理關(guān)系要么會以超光速發(fā)生，但這顯然違背了相對論；要么當(dāng)時的量子力學(xué)設(shè)想具有某種不完備性，缺少前置條件。這個悖論被稱為“EPR佯謬”。

由于EPR佯謬是以思想實驗的方式提出的。于是玻爾在進行回?fù)魰r，也主要抓住了思想實驗的實驗條件不充分、觀測手段與觀察方法有謬誤等方向進行。這里我們無意也沒有能力對物理學(xué)命題進行深入探討。但可以發(fā)現(xiàn)的是，最初對量子糾纏是否為悖論的討論，就集中在實驗是否可行，以及實驗的前提條件、觀測手段等等。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)起于實驗，聚焦于實驗條件是否成立，實驗結(jié)果是否可信任，實驗過程是否可重復(fù)。

“做個實驗”——也成為接下來數(shù)十年量子糾纏探索的真正主題。

實驗檢索：光子糾纏與證偽貝爾不等式

為了在實驗中探索量子糾纏是否可行，物理學(xué)界需要兩項最重要的基礎(chǔ)：實驗介質(zhì)與實驗標(biāo)準(zhǔn)。

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

光是一種具有振動方向的波動傳導(dǎo)。自然界的光往往是光線隨機混合在一起的，但如果通過某種實驗手段，讓光的振動方向被限制，成為只沿著一種方向振動的偏振光，就可以對光的振動進行觀測。光子糾纏易操作，易觀察，實驗結(jié)果受其他因素干擾較少，成了此后對量子糾纏效應(yīng)的主要實驗手段。約翰·惠勒認(rèn)為，按照量子力學(xué)的理論框架，正負(fù)電子對湮滅后生成的一對光子應(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現(xiàn)了光子糾纏實驗，生成了歷史上第一對偏振方向相反的糾纏光子。從那時起，關(guān)于量子糾纏的實驗探索正式啟動，到如今已經(jīng)經(jīng)歷了70年歲月。

有了實驗方法，下一個問題是實驗標(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，大量測量結(jié)果之間的相關(guān)性將永遠不會超過某個值。如何量子糾纏的真實情況符合量子力學(xué)的理論預(yù)測，那么實驗結(jié)果將違反貝爾不等式，從而導(dǎo)致超過不等式預(yù)設(shè)，粒子之間展現(xiàn)出更強的相關(guān)性。

從這里開始，2022年物理諾貝爾獎得主們走到了舞臺中央。

1972年，約翰·克勞澤發(fā)展了貝爾不等式的想法，進行了實際的量子糾纏實驗。實驗通過一次發(fā)射兩個糾纏光子，每個光子射向檢測偏振的濾光片，以此來觀察產(chǎn)生的光子糾纏情況。而實驗結(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，這種實驗引發(fā)了很多質(zhì)疑，甚至被指出了很多漏洞。比如實驗在制備和捕獲粒子方面效率太低、測量方式存在問題、糾纏粒子之間距離太小等等，其結(jié)果并不具備說服力。盡管面對著諸多挑戰(zhàn)，但克勞澤教授一直堅持著光子糾纏的實驗方向，并進行了源源不斷地實驗改進，最終證明了量子糾纏的超遠距離干涉確實存在。

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驗。1982年，另一位諾獎得主阿蘭·阿斯佩等人改進并完善了克勞澤的實驗方法。在糾纏粒子離開發(fā)射源后，通過切換測量設(shè)置的方式來確保制備粒子的方法不會影響實驗結(jié)果。

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

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

至此我們才知道，量子糾纏是真實存在的。

持續(xù)探索：進入新世紀(jì)的大型實驗

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

在這個過程中，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驗設(shè)備都與激光緊密相連的原因。通過激光脈沖，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，造價昂貴、高度精密的量子實驗設(shè)備也登上了歷史舞臺。

隨著量子糾纏實驗的價值愈發(fā)明晰，其帶來的量子信息學(xué)價值產(chǎn)出更加充沛，同時實驗成本不斷增大。量子糾纏開始成為國家科技競爭的焦點，以及科技戰(zhàn)略的重點傾斜方向。最近幾天，大量媒體都在討論中國在量子糾纏領(lǐng)域研究處于世界第一方陣，其價值與意義也在于此。

2012年，著名的潘建偉小組首次實現(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錯和百公里量子隱形傳態(tài)實驗。2010年，美國加州理工學(xué)院研究團隊實現(xiàn)了4個量子接口之間的糾纏。之后清華大學(xué)段路明團隊通過光束復(fù)分技術(shù)，在實驗中實現(xiàn)了25個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)成果開始步入新的發(fā)展階段。

2017年，潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛(wèi)星完成了全新的量子通信進行試驗，實現(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4000萬個信號光子，極大豐富了量子通信的實驗手段，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)微波來誘發(fā)量子糾偏，是另一種目前階段的主要實驗思路。也是通用型量子計算機的主要探索方向。2018年，芬蘭阿爾托大學(xué)教授麥卡·習(xí)嵐帕團隊對兩個獨自振動的鼓膜進行了量子糾纏，兩個鼓膜持續(xù)進行了30分鐘左右的互動。

對于量子糾纏的實驗從未止步，就在今年8月《自然》雜志還發(fā)布了德國團隊實現(xiàn)14個光子有效糾纏的研究成果。

量子并不代表著神秘莫測的未知。只有實驗，更精密、豐富、多元的實驗，才能讓量子糾纏從神壇走下，來到人間。

應(yīng)用黎明：從量子糾纏到量子通信、量子計算

距離第一次光子糾偏實驗，已經(jīng)過去了七十年。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，有很多東西對大眾來說是反常識的，但在產(chǎn)學(xué)銜接的端口，量子糾纏的數(shù)十年實驗探索已經(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)特性來實現(xiàn)目標(biāo)。比如目前的量子通信，主要是通過量子加密的方式來提升信息安全水平，但也有一些量子信息科學(xué)成果，與量子糾纏的實驗進程密不可分。比如光量子計算機，就充分應(yīng)用了激光導(dǎo)致光子糾偏的實驗現(xiàn)象。目前IBM、谷歌等公司探索的通用量子計算機，也與量子糾纏實驗中的超導(dǎo)傳遞、絕對低溫環(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)，量子糾纏實驗不斷發(fā)展的幫助下，看到了量子應(yīng)用的一點點曙光。盡管這種曙光依舊遙遠，但可以肯定的是一旦達到某種臨界點，量子信息學(xué)將對目前的信息科學(xué)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的巨大影響。

當(dāng)然，利用量子糾纏無視距離界限傳遞信息的“真·量子通信”尚且遙遠。目前開始探索應(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算，還依舊無法擺脫計算任務(wù)有限、對溫度等環(huán)境要求苛刻、造價巨大等限制。在過去的內(nèi)容中，我們說過一個有趣的現(xiàn)象：每一到兩年，就會有公司站出來說我們實現(xiàn)了量子計算機超越經(jīng)典計算機的“量子霸權(quán)”。但每次所謂的量子霸權(quán)，都難以自圓其說，無法取得業(yè)界共認(rèn)。

不管怎么說，量子糾纏已經(jīng)有一條支脈從實驗室里走出來，走向了充滿更多挑戰(zhàn)的產(chǎn)業(yè)世界。大環(huán)境下的量子計算機發(fā)展，建設(shè)大型量子計算設(shè)備，已經(jīng)成為科技巨頭的兵家必爭之地，甚至國家科技競賽的關(guān)鍵。同時量子加密、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)實世界之間的“糾纏”帶來更多機遇，吸引更多人才。

我們曾經(jīng)采訪過許多量子科學(xué)與量子計算領(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，需要號召更多年輕人加入這個學(xué)科。

一方面，輿論反復(fù)渲染量子科學(xué)的“高深莫測”，甚至污名化搞出量子鞋墊、量子速讀，會令很多學(xué)生對量子學(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”，其實都與量子科學(xué)沒有任何關(guān)系。這很容易讓一個剛剛產(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)注各大科研機構(gòu)、科技企業(yè)的量子技術(shù)布局。千萬不要受到諾獎新聞影響，去很多“量子XX”貼吧讀一些民間高手的奇談怪論。那些東西過于離譜。

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

坐而玄談是一種快樂，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。真正推動科學(xué)進步的，是實驗精神與專業(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，夯實結(jié)論。

實驗精神終將勝利，我們終將像面對電能、計算機一樣面對量子世界。抵達終極的辦法只有一個，就是讓終極成為旅途的一部分。