量子力學研究及其意義解析

北京時間10月4日17:45，在瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser） 和奧地利科學家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創(chuàng)了量子信息這一學科。

獲獎得主，阿斯佩，克勞澤、塞林格

近日，中國科學技術大學副研究員、風云學會會長、《量子信息簡話》作者袁嵐峰接受觀察者網(wǎng)專訪，就三人的研究成果，量子力學發(fā)展歷程，諾貝爾獎以及目前中國人獲獎數(shù)量較少現(xiàn)象分享了自己的看法。

以下為專訪實錄：

觀察者網(wǎng)：10月4日，瑞典皇家科學院宣布，三名物理學家因為在量子信息科學研究方面做出的貢獻，獲得2022年諾貝爾物理學獎?？煞窠榻B一下他們所做出的研究以及其意義？

袁嵐峰：他們最基本的成就是，判定究竟量子力學還是經(jīng)典力學是對的：一個物理量在人們測量之前是不是必然有一個確定的狀態(tài)？

在經(jīng)典的世界觀下，無論你測或不測一個性質，那個性質已經(jīng)有個確定的狀態(tài)了。經(jīng)典的世界觀反映在一首詩里面：“你見，或者不見我，我就在那里，不悲不喜”；這首詩很多人以為是倉央嘉措寫的，其實是當代女詩人談笑靖寫的。

但是量子力學非常明確地表示，并不是這樣，測量得到的結果可能是隨機的。我寫的《量子信息簡話》里面非常詳細的做了解釋。量子力學的測量首先是要指定一個基組，它包括至少兩個狀態(tài)。待測的狀態(tài)如果是基組當中的一個狀態(tài)，你會得到一個確定值，即這個狀態(tài)不變。但是如果你待測的狀態(tài)不是這個基組中的一個狀態(tài)，而是這些狀態(tài)的一個線性疊加，那就會發(fā)生一個突然的變化，它會瞬間落到基組的某一個狀態(tài)上去。這就告訴我們，量子力學對于世界的預測本質上就是概率性的，同一個原因可以得到不同的結果。

我們平常會覺得，同樣的原因會引來同樣的結果。乍一看隨機的事情，比方說擲硬幣，仔細想一想就會發(fā)現(xiàn)結果其實是完全確定的，只不過因為擲硬幣出手力度控制的不夠好，所以才覺得是隨機的；如果你控制的完全精確的話，那結果就是確定的。所以經(jīng)典力學里的隨機，都是偽隨機。

但量子力學認為，世界上存在真正的隨機。這就是兩種截然不同的世界觀。而最明顯反映這種世界觀的區(qū)別就在于量子糾纏現(xiàn)象。

量子糾纏是 1934 年愛因斯坦和他的兩個助手波多爾斯基和羅森在標題為“量子力學對世界的描述可以被認為是完備的嗎？”的論文中提出來的，現(xiàn)在大家經(jīng)常把他們的姓氏縮寫為EPR。他們認為，量子力學是不完備的。他們經(jīng)常問人一個問題，沒有人看月亮的時候月亮是否就不存在了？他們在這篇論文中提出量子糾纏這個現(xiàn)象，希望以此駁倒量子力學。但是后來的實驗發(fā)現(xiàn)量子力學是正確的，量子糾纏現(xiàn)象客觀存在。

有很多所謂科普會將這個現(xiàn)象比作兩只手套，一只左手、一只右手，將它們分別寄給兩個離得很遠的人。一人打開盒子，發(fā)現(xiàn)收到一只左手手套，立刻就知道另外一個人收到右手手套。這樣的比喻是能夠說明一些問題，但會讓人誤以為量子世界跟經(jīng)典世界一樣，“手套”在寄發(fā)前就有確定的左右之分。這就沒什么奇怪的，就像開盲盒一樣。

然而量子糾纏的關鍵在于，結果在測量之前是不確定的。

觀察者網(wǎng)：按您的比喻，量子糾纏類似于有一箱子的手套，你隨機抽兩個，發(fā)給兩個人，一人看到左手套，另外必然就是右手套。

袁嵐峰：對，是有點像。但是，一箱子的說法還是有可能造成一個誤會，就是讓人以為是在描述一個統(tǒng)一現(xiàn)象。我們需要強調，量子力學并不是一個只能描述大量粒子統(tǒng)計性的理論，它對于單個粒子同樣適用。假設只發(fā)一雙手套，你可以認為手套不停的在左右狀態(tài)之間來回搖擺，沒有一個確定值，直到打開的一瞬間。

在諾貝爾獎主頁上，對于這次的成果，他們給出了一系列漫畫式的解讀，其中有一個用黑白球比喻。假如你手里拿一個黑球，你就知道對方必然是個白球。實際上，你應該想象那個球本來是灰球，并不確定是黑還是白，直到觀測的那一瞬間，球才取得了黑或白當中的一個狀態(tài)。

諾貝爾委員會介紹中使用的“黑球白球”例子

量子糾纏實際的效果是，對于單個粒子的測量結果是不確定的，但是這兩個隨機數(shù)之間存在一個確定的關聯(lián)。單粒子測量結果是不確定的，關聯(lián)是確定的。至于這個關聯(lián)是什么，很多例子說的是相反，也有很多例子說的是相同。這些關聯(lián)其實都是可行的，取決于兩粒子體系的初始狀態(tài)，這個初始狀態(tài)是實驗制備出來的。你只要給定了一個量子體系的初始狀態(tài)，人們在實驗上就有辦法把它制備出來。

觀察者網(wǎng)：這次三個諾貝物理學獎獲得者對于證明量子糾纏現(xiàn)象做出的具體貢獻是什么？

袁嵐峰：剛才講的這些好像只是一個世界觀的分析，并沒有任何可觀測的效應。你怎么知道盒子在打開之前，里面的狀態(tài)到底是確定的還是不確定的呢？乍看起來，這個現(xiàn)象好像沒法判斷。當年愛因斯坦跟玻爾為此爭了很久，而其他大部分科學家覺得這只是一個哲學之辯，不值得認真看待?？茖W家大部分相信量子力學，因為它在實用層面是非常成功的。我在《量子信息簡話》里就講了，一些最基本的問題，比如說原子的穩(wěn)定性、物質的硬度、導電性，都是用量子力學解釋的。許多科學家認為愛因斯坦那些“老古董”只是自己想不開，大部分人不再關心量子糾纏問題了。

在1964年，北愛爾蘭的物理學家約翰·貝爾（John Bell）提出：經(jīng)典力學和量子力學其實是可以分辨的。他指出，你可以測量不同的結果之間的關聯(lián)，每個關聯(lián)是一個測得某種聯(lián)合結果的概率，然后幾個概率加起來減去一個概率，這個數(shù)值應該小于等于某個上限。這里面唯一的前提條件，就是所有的量在測量之前都存在確定值，即經(jīng)典世界觀。

然而，在量子力學下，會存在突破這個上限的狀態(tài)。貝爾認為，只要把這樣測量關聯(lián)的實驗做很多次，就會發(fā)現(xiàn)這些概率的組合到底小于還是大于這個上限。假如大于這個上限，就明確的告訴大家經(jīng)典世界觀是錯的。

約翰·貝爾1964年提出分辨經(jīng)典力學和量子力學的方式（圖源：歐洲核子研究中心）

第一次來做這個實驗的人就是這次諾貝爾物理學獎一號得主，克勞澤。他還有個合作者，叫斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）。克勞澤當時是個博士后，費里德曼是一個博士生，1972年他們第一次做成貝爾定理實驗。這個弗里德曼為什么沒有諾貝爾獎呢？因為他離世太早了，在2012年就突然就去世了。

他們的實驗違反了貝爾不等式，證明了量子力學的正確性。但是較真的人可以說，這個實驗還有種種漏洞。比如說兩個探測器之間離得很近，大概只有6米，假如探測器之間以某種方式傳遞信號，那么就可能協(xié)同起來，故意給你一個虛假的結果。

為了避免這一問題，可以把兩個探測器離得盡量的遠，使得其即使以光速傳遞信號，也來不及作弊。這樣的漏洞，第二個諾貝爾物理學獎得主阿斯佩在1982年填補了，改進了1972年的實驗，所以在公眾心中阿斯佩等人變得更加出名。

后來越來越多的人繼續(xù)努力改進這個實驗，堵上各種各樣你能想到和想不到的稀奇古怪的漏洞。第三個諾貝爾物理學獎得主塞林格也做了這個實驗，堵上了更多的漏洞，同時做出了一個非常有趣的應用。如果只是不停的驗證貝爾不等式的違反，很多人會覺得這跟日常生活也沒什么關系，這純粹就是一個物理學理論的基礎問題。

然而塞林格做了量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation），相當于科幻電影中的傳送術，即把一個粒子的狀態(tài)傳到遠處另外一個粒子上。這個就要用到量子糾纏。量子隱形傳態(tài)的理論是六個理論家于1993年共同提出，塞林格的研究組在1997年第一次實驗實現(xiàn)的。潘建偉當時是塞林格的博士生，他就是這篇論文的第二作者；在諾貝爾獎塞林格相關成果里面，幾乎每一篇都有潘建偉，不是第一作者，就是第二作者。

假如我們有兩個糾纏的粒子，將一號粒子放在愛麗絲手里邊，二號粒子放在鮑勃手里，兩人離得很遠。然后愛麗絲手里還有第三個粒子，不知道其狀態(tài)，要將這第三個粒子的狀態(tài)傳給鮑勃。我們是對這個三粒子體系的整體做某些操作，結果是三號粒子的狀態(tài)轉移到了鮑勃手上的二號粒子身上，成功傳送了這個未知的狀態(tài)，而原來的三號粒子狀態(tài)也變了。

這就好比一邊有輛汽車，另一邊有堆汽車零件，你的實驗結果是把汽車的狀態(tài)傳了過去，讓汽車零件組裝成一輛汽車，但原來那輛汽車就解體了。所以這是狀態(tài)的傳送而不是復制，你永遠都不會得到兩輛相同的汽車。任何人都會感到這是一個石破天驚的成果。我在《量子信息簡話》就說了，所有的量子信息技術里邊最富有科幻色彩的可能就是量子隱形傳態(tài)。所以這次諾貝爾獎發(fā)給塞林格的原因是，將檢驗量子力學基本原理以及量子隱形傳態(tài)這兩方面的成果都包括了進去。

觀察者網(wǎng)：1972年的那次試驗，為什么沒有想到相隔6米可能會出現(xiàn)的潛在漏洞？

袁嵐峰：萬事開頭難，克勞澤之前根本沒有人想到要去做這個實驗，或者覺得這實驗就沒必要做，因為大家默認量子力學肯定是對的。還有，就是這個實驗真的非常難做，在他之前根本就沒有人想要做這樣的實驗，因為也沒有這樣的實驗裝置。實際上貝爾本人提出不等式的目標是為了證明愛因斯坦是對的——貝爾也反對量子力學——只不過實驗的結果說明量子力學還是對的，表明科學并不依賴于先行者本人的想法。

克勞澤和費里德曼能做出這個實驗，就已經(jīng)非常不容易了。他們發(fā)表之后大家才開始討論，假如大自然鐵了心要跟你作弊，那么可能有什么樣作弊的方法，所以才認為有個漏洞。假如我們相信狹義相對論，相信信號傳輸不能超光速，那就提出改進辦法，把兩個探測器離得盡量遠，即使以光速作弊也不可能。隨著條件的改進，大家一步步把條件限制的越來越嚴格。到后來各種能想到想不到的所謂漏洞，科學家都在拼命去堵，跟大自然斗智斗勇。

觀察者網(wǎng)：為什么貝爾本人沒有獲得過諾貝爾獎？

袁嵐峰：這是個好問題。他們因為檢驗貝爾不等式的違反得獎，那最應該得獎的不應是貝爾嗎？這是因為貝爾在1990年就去世了，享年只有62歲。如果他活的長一點，那當然最應該得獎。歷史上有很多類似的事情，一個思想最初的提出者沒有來得及得獎，后來實現(xiàn)這個思想的人獲獎。

觀察者網(wǎng)：為什么諾貝爾獎不能授予已故的人？

袁嵐峰：這是他們一開始立好的規(guī)矩，否則要發(fā)的就實在太多了。貝爾的貢獻絕對是諾貝爾獎級的，而且應該會超過很多諾貝爾獎獲得者。

觀察者網(wǎng)：幾十年前，一人獨攬諾貝爾物理學獎還是常態(tài)，但是這個情況已經(jīng)30年沒有出現(xiàn)了。這是否意味著，科研已經(jīng)由一個可以一人獨立完成，轉變?yōu)樾瓒嗳藚f(xié)同完成的事業(yè)？為什么？

袁嵐峰：對于物理學家來說，確實是這樣，已經(jīng)好久沒有單獨發(fā)給個人，但是今年剛好有一個獎是發(fā)給個人，就是生理學和醫(yī)學獎，發(fā)給了斯萬特·帕博 (Svante P??bo)，獎勵他對于古人類DNA檢測的貢獻。我看到這個消息也很驚訝，確實好久沒有看到有人單獨獲獎，可能因為他在那個領域是一個單獨的奠基人。

但是在物理學，貢獻的人真的很多。如果貝爾和弗里德曼活著，他們都應該得獎，這樣一來就有五個人，而諾貝爾獎一次最多只能發(fā)三個人，那把哪兩人砍掉？歷史上出現(xiàn)過該得的人太多、反而誰都發(fā)不了的情況，只有耐心的等待一些人去世，給剩下的人發(fā)，或者干脆誰都不發(fā)。

這表現(xiàn)出科學的進步，越來越依賴于多人的合作。以前經(jīng)常發(fā)給一個人，是因為那時還處于領域剛開創(chuàng)的時代，一個人就能提出一個石破天驚的觀點，開創(chuàng)一個領域；現(xiàn)在變得越來越困難，需要很多人合作，才能把這個領域向前推進。

觀察者網(wǎng)：可能未來會發(fā)生越來越多類似于貝爾的經(jīng)歷，提出了一個事后被證明石破天驚的理論，但是需要幾十年的時間驗證和推進，那時候提出者已經(jīng)去世去了。諾貝爾等獎項是否要考慮這個情況做一些改變？

袁嵐峰：諾貝爾獎定了這個規(guī)矩，就按照這個規(guī)定執(zhí)行。但這也告訴我們，一個人沒得諾貝爾獎，并不意味著他的成就不夠高。比如說，霍金雖然沒得諾貝爾獎，但是貢獻跟大多數(shù)諾貝爾獎得主不相上下?；艚鹱钪匾某删?，就是霍金輻射，他提出黑洞會輻射能量，所以黑洞的質量是會減小的，黑洞并不是只進不出的。但是這個效應對大型黑洞非常非常的微弱，越大的黑洞輻射得越慢，微小的黑洞會迅速蒸發(fā)掉，大型的黑洞蒸發(fā)的時間卻比宇宙的年齡都長得多。我們現(xiàn)在觀察到的大型黑洞的霍金輻射都非常小，沒法得到可觀測的證據(jù)。

所以霍金雖然在世的時候非常出名，霍金輻射也是非常了不起的一個成果，但是得不到諾貝爾獎，因為實驗上沒法證明。如果哪一天“一不小心”，居然有一個實驗證據(jù)證明霍金輻射，那人們肯定會把霍金翻出來再紀念一番，但是他還是沒法得到諾貝爾獎。所以這告訴我們，獎項只是對于一個人的事后追認，我們不能把它看得太重要。

觀察者網(wǎng)：考慮到近年我國在量子力學領域的突飛猛進，我國的科學家是否也具有了獲得諾貝爾物理學獎的實力？

袁嵐峰：諾貝爾獎的頒獎是有先后順序的，要先發(fā)給這前面奠定基礎的人，后面才能發(fā)給做了后來的實驗，把成果推向新的高度的人。

在這次諾貝爾獎的成果介紹里邊提到了中國科學家的貢獻，比如介紹我國的墨子號實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子保密通信，也實現(xiàn)了地面上相距1200公里的量子隱形傳態(tài)。后者是今年的成果，墨子號向兩個相距1200公里的地面站（青海德令哈站和云南麗江站）發(fā)射一對對糾纏的光子，它們以此實現(xiàn)了隱形傳態(tài)。

可想而知，隨著將來我們類似的成果越做越多，比如說鋪設了一個全球的量子通信網(wǎng)絡，就有可能得獎了。但是，作為一個歷史的追認，諾貝爾獎委員會肯定要先發(fā)給前面最初開創(chuàng)領域的人。所以我們繼續(xù)做下去，將來得獎也是完全有可能的。

觀察者網(wǎng)：自新中國成立以來，只有屈指可數(shù)的幾名中國籍科學家獲得過諾貝爾獎。中國科學家還需要等待多久，才能在這個世界頂尖的平臺上獲得更廣泛的認可？

袁嵐峰：很多人對諾貝爾獎的態(tài)度是兩個極端。一些認為中國人老是得不到諾爾獎，中國人太“渣渣”了。另一些認為諾貝爾獎完全是“政治操作”的，只發(fā)給西方人。

我認為人們應該耐心一點。首先，認為諾貝爾文學獎、和平獎這些東西的政治因素太重，我們“當個笑話”來看，是完全沒問題的。但是諾貝爾自然科學獎含金量還是非常高的。我們不能說沒得諾貝爾獎的水平就一定不高，或者說得到諾貝爾獎的就一定很高，因為歷史上也有發(fā)錯的時候，但是至少絕大部分得到諾貝爾獎自然科學獎的水平確實非常高，確實對人類做出很大貢獻。

所以我認為，不要吃不到葡萄，就說葡萄酸，說不屑于跟他們玩了。大家的心態(tài)應該是，這個葡萄是甜的，而且我們肯定是能吃到的，要有耐心。美國、英國、德國、日本等得那么多諾貝爾獎的科技大國，最主要的原因就是他們科研投入多；想想我們幾十年前在干啥？諾貝爾獎一般頒的都是幾十年前那種得到廣泛驗證的成果。這次獲獎的幾個人實際上都早已退休了，塞林格自己說他在這個領域最重要的實驗其實是在 20 多年前做的，比如1997年的隱形傳態(tài)。先要做出這樣量級的成果，然后耐心地等待，鍛煉好身體，等他們頒獎，這個是正道。

而我們國家真正投入巨大資金去做基礎研究的時間其實沒多久。2015年屠呦呦得獎是在非常特殊的條件下。當時打越南戰(zhàn)爭的時候，美國老是遇到瘧疾，就投入巨資來研究對抗瘧疾；而中國也是，因為中國要幫助越南，中國也有很多人前往越南，也有很多人得瘧疾。屠呦呦在這里邊發(fā)現(xiàn)青蒿素可以治療瘧疾，而且是個特效藥。但是這屬于“碰上”的，并不是一個常規(guī)的研究；而我們現(xiàn)在常規(guī)的研究，都還處在一個剛剛開始有巨大的投入，干了沒多久的狀態(tài)。

現(xiàn)在有很多領域，每當有人得諾貝爾獎，這個領域都會有人出來說，中國其實相當先進。例如對去年和今年的化學獎，都有中國科學院上海有機化學研究所的專家說中國在不對稱催化和點擊化學方面相當先進，有很多領先的成果?，F(xiàn)在的普遍現(xiàn)象就是，中國還比較缺乏完全原創(chuàng)的概念，但是一旦別人提出一個領域，中國科學家就沖過去，做出很多成果。

中國原創(chuàng)的概念也在逐漸多起來，如在化學領域我就介紹過唐本忠院士的“聚集誘導發(fā)光”和包信和院士的“納米限域催化”。

這一方面說明我們的科研實力是相當雄厚的，資金、投入確實有很多；在研發(fā)投入上，我們僅次于美國。另一方面，我們還需要時間沉淀，才能產(chǎn)生更多的從零到一的完全原創(chuàng)成果。需要有耐心，幾十年之后，我相信肯定會出現(xiàn)一個中國科學家獲得諾貝爾獎的高峰。

編輯：黃飛