蔡林格教授是我留學(xué)奧地利時的博士生導(dǎo)師。實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)是我在蔡林格教授的指導(dǎo)下與同事合作完成的第一個實驗工作。1997年底，這一工作以《實驗量子隱形傳態(tài)》為題刊登在了《自然》雜志上。后來在1999年，這篇論文同有關(guān)發(fā)現(xiàn)X射線、建立相對論等影響世界的重大研究成果的論文一起，被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。

這一實驗工作具有劃時代的意義，它不僅被認(rèn)為是量子信息實驗研究的開山之作，而且對于中國的量子信息發(fā)展也有著不尋常的意義：從那時起，國內(nèi)學(xué)術(shù)界的主流意見基本停止了對量子信息的質(zhì)疑，為這一新興領(lǐng)域在我國的蓬勃發(fā)展打開了局面。

結(jié)束在奧地利的學(xué)習(xí)和工作后，我回到中國獨立開始了量子信息的研究，從蔡林格教授的學(xué)生變成了他的同行。我們在不同的國度同時開展量子信息研究，友好地合作和競爭。特別是當(dāng)中國的科學(xué)家和工程師團隊通過“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星和地面光纖干線將量子通信推進到數(shù)千公里的規(guī)模之后，全世界都感受到量子信息，特別是量子通信已經(jīng)開始從人類的夢想走向現(xiàn)實。

蔡林格教授和另外兩位教授阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤一起獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎。他們的獲獎理由是：“利用糾纏光子進行實驗，確立對貝爾不等式的違背并開創(chuàng)量子信息科學(xué)?！狈浅Ｇ珊系氖?，這恰恰是本書題目中的三個關(guān)鍵詞——愛因斯坦、光子、量子隱形傳態(tài)——所要告訴我們的故事。

我試著對這個故事的脈絡(luò)進行了一下梳理。愛因斯坦最廣為人知的成就是提出了相對論，他對量子力學(xué)的建立同樣功不可沒。他提出的光量子假說是量子力學(xué)的基本概念之一。盡管如此，由于對該框架并不滿意，他還是開始質(zhì)疑量子力學(xué)本身的完備性。

這里我先借用“薛定諤的貓”簡要介紹一下量子疊加和量子糾纏的概念。日常生活中，我們知道一只貓只能處于“死”或者“活”兩種狀態(tài)之一。但是根據(jù)量子力學(xué)，對于微觀世界的一只“貓”，它在某些特定條件下就可以處于一種“死”和“活”的相干疊加狀態(tài)，換句話說，在這種狀態(tài)下，貓的生死是完全不確定的。這種不確定性是內(nèi)秉的，并不能隨著觀測手段的提升而變得確定，這就是所謂的“上帝擲骰子”。

雖然量子疊加的概念與我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗相比非常奇怪，但如果把量子疊加擴展到多體系統(tǒng)，會導(dǎo)致一種更奇怪的現(xiàn)象，那就是量子糾纏。仍然用貓來打比方，在量子世界中的兩只貓，甚至可以處于“活活”和“死死”兩種狀態(tài)的相干疊加。在這種狀態(tài)下的兩只貓，盡管每一只貓的生死都是不確定的，但如果我們?nèi)ァ翱础逼渲幸恢回埐l(fā)現(xiàn)它是活的，那么另一只貓會瞬間“坍縮”到“活”的狀態(tài)，反之亦然，即使這兩只貓已經(jīng)分隔非常遙遠。也就是說，這兩只貓的生死狀態(tài)存在完美的關(guān)聯(lián)，就仿佛是“糾纏”在一起一樣，這正是量子糾纏一詞的由來。

顯然，愛因斯坦不滿意量子力學(xué)竟然可以允許這種奇怪現(xiàn)象的存在，于是他和兩位同事在1935年發(fā)表的一篇著名論文中進行了一番推理：首先假設(shè)愛麗絲和鮑勃兩個人分別去觀測這兩只貓的生死狀態(tài)。如果他們觀測的時間間隔非常短，以至于宇宙中飛行速度最快的光都來不及在愛麗絲和鮑勃之間對觀測結(jié)果“通風(fēng)報信”，那么他們各自的觀測結(jié)果便是完全獨立的，這在物理學(xué)上被稱為“類空間隔”；其次，即使是類空間隔，利用量子糾纏觀測結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，也可以根據(jù)愛麗絲的觀測結(jié)果立即精確預(yù)言出鮑勃的觀測結(jié)果。例如，愛麗絲如果看到她那邊的貓是“活”的，她可以立即確定，鮑勃若去看他那邊的貓，那也一定是“活”的，反之亦然。

因此，對于兩個完全獨立的觀測事件，愛麗絲可以精確預(yù)言鮑勃每一次的觀測結(jié)果，這只能解釋為：鮑勃的觀測結(jié)果是在被進行觀測前就已經(jīng)確定好的，根本不是量子力學(xué)所描述的那樣是“不確定的”。這就是愛因斯坦所堅持的“定域?qū)嵲谛浴薄?/p>

然而，尼爾斯·玻爾等人堅持的量子力學(xué)認(rèn)為：在對貓進行觀測前，它們的生死狀態(tài)是不確定的。一旦愛麗絲進行了觀測，她那只貓的生死狀態(tài)就被確定，同時鮑勃那只貓的生死狀態(tài)也確定了，不管這兩只貓相距多么遙遠。這就是“量子力學(xué)非定域性”。

盡管兩種觀點完全不同，但都能夠解釋量子糾纏觀測結(jié)果的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，因此這一爭論暫時只能停留在哲學(xué)層面。

一直到1964年，北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾提出了貝爾不等式，才提供了通過實驗檢驗這兩種觀點孰是孰非的可能。簡言之，對兩個粒子的各種測量結(jié)果可以組合出一個不等式，如果“定域?qū)嵲谛浴闭_，那么這個不等式一定成立；反之，如果違背貝爾不等式，那么愛因斯坦的“定域?qū)嵲谛浴本湾e了。而按照量子力學(xué)的預(yù)言，從量子糾纏態(tài)出發(fā)，可以找到某種組合違背貝爾不等式。

接下來就是實驗驗證了。從20世紀(jì)70年代起，以蔡林格教授等三位諾獎得主為代表的物理學(xué)家們開展了大量實驗，越來越嚴(yán)格地驗證了對貝爾不等式的違背，從而證明了量子力學(xué)的正確性。

通過實驗驗證貝爾不等式被違背，物理學(xué)家們發(fā)展出了主動精確操縱量子狀態(tài)的技術(shù)，使得人們可以利用量子狀態(tài)實現(xiàn)對信息的編碼、調(diào)制、傳輸和測量，從而催生了一門全新的學(xué)科：量子信息。量子信息可以提供原理上無條件安全的通信、超快的并行計算能力，以及超高的測量精度，將為信息科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)，乃至探索宇宙的奧秘帶來革命性的突破，現(xiàn)已成為當(dāng)今物理學(xué)發(fā)展最前沿的領(lǐng)域之一。還可以看出，從愛因斯坦提出光量子假說，到愛因斯坦用“光子盒”等各種思想實驗與玻爾爭論，到制備并操縱光子的糾纏，再到實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，從概念到實踐，光子在整個量子力學(xué)以及量子信息的發(fā)展歷程中都扮演著極為重要的角色，這可能正是本書命名為《光子之舞》的原因。

（源自《北京日報》，有刪節(jié)）

責(zé)編：潘茜