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中国科学院院士潘建伟:回答爱因斯坦未能解答的问题

2024-03-22   北京日报   阅读量:106

    蔡林格教授是我留学奥地利时的博士生导师。我在1996年加入他的研究小组,实现量子隐形传态是我在蔡林格教授的指导下与同事合作完成的第一个实验工作。1997年底,这一工作以《实验量子隐形传态》为题刊登在了《自然》杂志上。后来在1999年,这篇论文同有关发现X射线、建立相对论、发现DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构等影响世界的重大研究成果的论文一起,被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

    这一实验工作具有划时代的意义,它不仅被认为是量子信息实验研究的开山之作,对于中国的量子信息发展也有着不寻常的意义:从那时起,国内学术界的主流意见基本停止了对量子信息的质疑,为这一新兴领域在我国的蓬勃发展打开了局面。

    在奥地利期间,我还和蔡林格教授合作完成了一系列量子物理基础和量子信息领域的奠基性实验,包括实现量子纠缠交换、量子纠缠纯化及非定域性检验等。

    结束了在奥地利的学习和工作后,我回到中国独立开始了量子信息的研究,从蔡林格教授的学生变成了他的同行。我们在不同的国度同时开展量子信息研究,友好地合作和竞争。同时,量子信息这个新兴领域,随着其应用渐现端倪,也越来越受到各界关注。特别是当中国的科学家和工程师团队通过“墨子号”量子科学实验卫星和地面光纤干线将量子通信推进到数千公里的规模之后,全世界都感受到量子信息,特别是量子通信已经开始从人类的梦想走向现实。

    随着量子信息的蓬勃发展,蔡林格教授和另外两位教授阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽一起获得2022年诺贝尔物理学奖。他们的获奖理由是:“利用纠缠光子进行实验,确立对贝尔不等式的违背并开创量子信息科学。”非常巧合的是,这恰恰是本书题目中的三个关键词:爱因斯坦、光子、量子隐形传态所要告诉我们的故事。

    我试着对这个故事的脉络进行了一下梳理。爱因斯坦最广为人知的成就是提出了相对论,而他对量子力学的建立同样功不可没。他提出的光量子假说是量子力学的基本概念之一,他也因此获得了1921年诺贝尔物理学奖。尽管如此,随着量子力学理论基本框架的完成,由于对该框架并不满意,他还是开始质疑量子力学本身的完备性。

    这里我先借用“薛定谔的猫”简要介绍一下量子叠加和量子纠缠的概念。日常生活中,我们知道一只猫只能处于“死”或者“活”两种状态之一。但是按照量子力学,对于微观世界的一只“猫”,如果我们不去“看”这只猫到底是死是活,它在某些特定条件下就可以处于一种“死”和“活”状态的相干叠加,换句话说,在这种状态下,猫的生死是完全不确定的。这种不确定性是内秉的,并不能随着观测手段的提升而变得确定,这就是所谓的“上帝掷骰子”。

    虽然量子叠加的概念与我们日常生活的经验相比非常奇怪,但如果把量子叠加扩展到多体系统,会导致一种更奇怪的现象,那就是量子纠缠。仍然用猫来打比方,在量子世界中的两只猫,甚至可以处于“活活”和“死死”两种状态的相干叠加。在这种状态下的两只猫,尽管每一只猫的生死都是不确定的,但如果我们去“看”其中一只猫并发现它是活的,那么另一只猫会瞬间“坍缩”到“活”的状态,反之亦然,即使这两只猫已经分隔非常遥远。也就是说,这两只猫的生死状态存在完美的关联,就仿佛是“纠缠”在一起一样,这正是量子纠缠一词的由来。

    显然,爱因斯坦不满意量子力学竟然可以允许这种奇怪现象的存在,于是他和两位同事在1935年发表的一篇著名论文中进行了一番推理:首先假设爱丽丝和鲍勃两个人分别去观测这两只猫的生死状态。如果他们观测的时间间隔非常短,以至于宇宙中飞行速度最快的光都来不及在爱丽丝和鲍勃之间对观测结果“通风报信”,那么他们各自的观测结果便是完全独立的,这在物理学上被称为“类空间隔”;其次,即使是类空间隔,利用量子纠缠观测结果的关联性,也可以根据爱丽丝的观测结果立即精确预言出鲍勃的观测结果。例如,爱丽丝如果看到她那边的猫是“活”的,她可以立即确定,鲍勃若去看他那边的猫,那也一定是“活”的,反之亦然。

    因此,对于两个完全独立的观测事件,爱丽丝可以精确预言鲍勃每一次的观测结果,这只能解释为:鲍勃的观测结果即鲍勃那只猫的生死状态,是在被进行观测前就已经确定好的,根本不是量子力学所描述的那样是“不确定的”。这就是爱因斯坦所坚持的“定域实在性”。

    然而,尼尔斯·玻尔等人坚持的量子力学认为:在对猫进行观测前,它们的生死状态是不确定的。一旦爱丽丝进行了观测,她那只猫的生死状态就被确定,同时鲍勃那只猫的生死状态也确定了,不管这两只猫相距多么遥远。

    这就是“量子力学非定域性”。

    尽管两种观点完全不同,但都能够解释量子纠缠观测结果的关联现象,因此这一争论暂时只能停留在哲学层面。

    一直到1964年,北爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了贝尔不等式,才提供了通过实验检验这两种观点孰是孰非的可能。简言之,对两个粒子的各种测量结果可以组合出一个不等式,如果“定域实在性”正确,那么这个不等式一定成立;反之,如果违背贝尔不等式,那么爱因斯坦的“定域实在论”就错了。而按照量子力学的预言,从量子纠缠态出发,可以找到某种组合违背贝尔不等式。

    接下来就是实验验证了。从20世纪70年代起,以蔡林格教授等三位诺奖得主为代表的物理学家们开展了大量实验,越来越严格地验证了对贝尔不等式的违背,从而证明了量子力学的正确性。

    除了在量子物理基础领域的探索外,通过实验验证贝尔不等式被违背,物理学家们发展出了主动精确操纵量子状态的技术,使得人们可以利用量子状态实现对信息的编码、调制、传输和测量,从而催生了一门全新的学科:量子信息。量子信息可以提供原理上无条件安全的通信、超快的并行计算能力,以及超高的测量精度,将为信息科学、物质科学、生命科学,乃至探索宇宙的奥秘带来革命性的突破,现已成为当今物理学发展最前沿的领域之一。还可以看出,从爱因斯坦提出光量子假说,到爱因斯坦用“光子盒”等各种思想实验与玻尔争论,到制备并操纵光子的纠缠,再到实现量子隐形传态,从概念到实践,光子在整个量子力学以及量子信息的发展历程中都扮演着极为重要的角色,这可能正是本书命名为“光子之舞”的原因。

    (作者为中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长)

    编辑:曾佳佳