《光子之舞：爱因斯坦，量子纠缠和量子隐形传态》

[奥]安东·蔡林格 著

刘宁 译

中信出版集团出版

本书主要介绍了量子物理的前沿成果以及对未来的展望。书中解释了实验上的突破，这些突破证明了令爱因斯坦困惑的量子理论的"诡异"方面。这本书通过物理学中最复杂和最迷人的领域之一描绘出一条生动的道路，解释清晰，既容易理解，又有科学的完整性。作者指出如果上帝只是可能存在，那么我们的信仰将完全成为空壳，任何宗教行为都将成为完全的投机主义。而引入特定的装置，必然意味着量子干涉现象的消失，因为装置无法避免地会干扰到现象的产生。我们将会进入一个全新的世界，信息将变得更具基础性。

作者安东·蔡林格是维也纳大学物理学家，2022年诺贝尔物理学奖得主，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所主任。他的论文共被引用94000余次，并于2014年进入汤森路透"高引用科学家"榜单。塞林格长期从事量子物理和量子信息研究，是国际上量子物理基础检验和量子信息领域的先驱和重要开拓者。无论是理论还是实验，塞林格在量子物理基础检验方面建立了始创性的功绩。他曾与合作者在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验，实现了无局域性漏洞、无探测效率漏洞的量子力学非定域性检验，提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态（GHZ态），这在量子力学基础检验和量子信息中起着关键作用。基于量子物理的基础检验，塞林格与同事开发出了多光子干涉度量学，进一步把它们广泛用于量子信息处理，具体包括量子密集编码、远距离量子通信、光量子计算等领域。其中，他在1997年首次实现量子隐形传态的工作，被公认为是量子信息实验研究的"开山之作"。从1983年开始，塞林格一直与中国科学院、中国工程院等机构定期交流与合作。通过"墨子号"量子科学实验卫星，塞林格团队以合作形式参与到中国科学院主导的洲际量子通信实验。而且，还在全球第一次使北京—维也纳两地的量子保密通信成为可能，该成果入选了美国物理学会评选的"2018年度国际物理学十大进展"。

>>内文选读

这是一本关于量子物理和量子信息的美妙的科普图书，由诺贝尔物理学奖获得者、奥地利维也纳大学的安东·蔡林格（AntonZeilinger）教授撰写。作为量子信息领域最顶尖的科学家群体中的一员，蔡林格教授在科学传播上同样是佼佼者，我曾近距离领略过他在这方面的才思。而《光子之舞》这本科普读物，可让大家对这一点稍做管窥。

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。

这是一个令人惊奇的重要实验，它发表后立即引起了学术界和社会公众的广泛关注。我曾经有过一个难忘的经历，有一次，我在阿尔卑斯山的一个峡谷散步时遇见一位坐在轮椅上的老太太，她说她看过《实验量子隐形传态》那篇论文，虽然尽力了，却还是看不懂。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，这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、三光子GHZ态的制备及非定域性检验等。

图源：视觉中国

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，这恰恰是该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——而不是相对论——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已经非常奇怪，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。

薛定谔的猫 图源：视觉中国

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：

（1）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"。

（2）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·玻尔等坚持的量子力学认为：

（1）在对猫进行观测前，它们的生死状态是不确定的。

（2）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。

一直将近30年后的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。当然，可能是限于篇幅，本书对于量子信息并没有太多着墨，但量子隐形传态正是整个量子信息领域的基础，可以说，理解了量子隐形传态，就进入了量子信息领域的大门。

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，这可能正是该书命名为"光子之舞"的原因。

（本文节选自该书"推荐序"，作者潘建伟）

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文：潘建伟 编辑：金久超 责任编辑：朱自奋