塞林格谈神秘的量子世界

　　以下文章来源于墨子沙龙，作者AntonZeilinger。
　　AntonZeilinger：量子物理学家，长期从事量子物理和量子信息方面的前沿研究，是国际上量子物理基础检验和量子信息的先驱。1997年，他和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的开山之作。他还与合作者提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态；在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验；进行量子力学非定域性检验
　　因其杰出贡献，塞林格荣获了众多重要奖项，包括2007年度艾萨克牛顿奖、2010年度沃尔夫物理学奖、2019年度墨子量子奖等。
　　大约从20世纪70年代开始，人们开始在实验上深入探索量子世界，思考这个世界是否真的如此奇妙。当时并不是为了应用而进行实验，新生的婴儿又能做什么呢？所以，我们之中的一些人在20世纪70年代和80年代早期所做的工作并没有什么实际用处，而后来我们却收获了惊喜。这是我生命中最大的惊喜之一，我确信这样的事情还会再发生。
　　相信大家对量子物理的一些基本概念已经有所了解了。我想从另外的角度来讨论这些概念。你们闲暇时可以思考一下这些与众不同的观念，也许会对你有所帮助。
　　01从双缝实验说起
　　这幅图是尼尔斯玻尔所绘画的双缝实验装置。玻尔是一名丹麦的理论物理学家，关于量子力学，他和爱因斯坦有过激烈的讨论，大家一定听说过这些故事。
　　请注意图中最前面的那条缝，它在这个实验中非常重要，它使得光源保持稳定，这样才能看到干涉条纹。当一束光也可以是其他东西，如电子到达并透过第一条缝，然后穿过中间的两个缝隙，你会在观察板上看到明暗相间的条纹。从波的角度出发，这很好理解，但是如果我们只让一个粒子穿过，会发生什么呢？当只有一个粒子穿过时，这个可怜的粒子会怎样呢，它会落在哪里？
　　情况似乎是这样的：当一个粒子落在了某处，你发射第二个粒子，它也会落在某处。如果你发射了成千上万个粒子，这些粒子将会飞过缝隙，产生成千上万个落点最后你会看到明暗相间的条纹。然而，只要你关闭其中任一条缝隙，这些条纹都将会消失。也就是说，基本上每个穿过缝隙的光子都知道这两个缝隙是打开的还是关闭的。
　　这时爱因斯坦会说：光子本来就必须穿过这两个缝隙之一，不是吗？这有什么意义，只是换个方式表述了而已。这是爱因斯坦1909年所说的。他认为，一个光子只能从这里或者那里穿过，所以条纹只会在很多光子同时穿过时出现。它们相遇，互相交流信息，知道哪条缝隙是打开、哪条是关闭的，从而它们可以重新设置自身的性质。
　　现在已经有很多实验可以一次只让一个粒子通过。那么，答案是什么呢？目前的观点是，一个粒子可能经过宇宙中的任意一条路径，要想观测到明暗相间的干涉现象，这只有在没有路径信息的时候才能做到。这就是信息所扮演的角色。很重要的一点是，问题的关键不在于你是否一直盯着粒子看，而是你是否得到了粒子行走路径的信息。
　　双缝干涉实验通常使用光子进行实验，不过原则上讲，没道理大的粒子就不会发生干涉。但这对于实验学家来说，是一项巨大的挑战。我们在国际上率先开展了中子、原子、大分子的量子干涉实验。
　　再提一个很有名的概念薛定谔猫叠加态，我们不讨论很多细节。有人说这只猫是死或生的，这是一个错误的说法，应当说它是处在死和生的叠加态。那么，我们能在多大的系统里观测到这样的叠加态呢？它对系统的尺度有没有限制？这成为实验上的挑战。甚至，我们能在生命系统中观测到叠加态吗？我的答案是，可以！当然，在生命系统中，很多相关的领域都还是空白。
　　还有一个相关的概念随机性，这是一个有争议的概念。假设我们有一个非常弱的光源，发出的光通过一个玻璃片。这个玻璃片是一面镜子，却不是一面很好的镜子，它会反射一半的光，然后让另外一半透过去。想象你站在商店的橱窗前，你能看到店里的东西，也能看到自己，它就是这样的一面镜子。
　　那么，大家都来思考一下：如果单个的光子或单个的其他粒子来到镜子上，会发生什么呢？这个粒子会做什么？它会穿过去还是被反射？量子物理告诉我们，它不可再分，所以它必须做一个决定。两边都有一个探测器，当这个光子被反射了，我们称这件事为0，当它穿过去了，我们称之为1。
　　当然，刚才描述它的方式是错误的，因为这个粒子并不是去这里或者去那里它是以两条路径的叠加态形式传播，就像在双缝实验中那样。它并不知道自己在哪，没人知道它在哪。但是当你在路径上放了探测器，某个时刻，粒子啪的一下撞击了其中一个探测器，这时候，这个粒子的叠加态就塌缩到了这里，也就再也不会出现在另一个探测器上了。在1927年，这样的事情让爱因斯坦感到非常困惑。
　　另外，这个实验除了作为一个有趣的现象，还可以为你提供一串随机数。当你一个接一个去做很多次这样的测量，你会得到一串随机数。这也是潘建伟教授团队所从事的一个重要工作。
　　现在的问题是，我们能否从原则上解释：为什么在这种情况下光子会被反射，而在另外一种情况下光子会穿过去？量子力学并没有给我们解释。或许不是所有人都同意，但我个人的诠释是，这是一种新的随机性，一种在经典图像下不存在的随机性。这一随机性不是由于我们没有足够的信息，而是由于这个世界本身就没有足够的信息。这是我个人的观点，也是海森堡和玻尔等人的观点。但爱因斯坦不这么认为，他是不喜欢这个观点的人之一。他有一句很著名的话：上帝不掷骰子。而玻尔回答他不要教上帝怎么掌管这个世界。这个回答很棒，我想这个世界上唯一敢于教上帝怎么掌管世界的人就是爱因斯坦了。
　　当一个粒子或其他物体处在两个概率事件的叠加态时，我们称其为量子比特（qubit）。一个简单的开关，只有开或关两个状态（让它们分别对应0、1），可以看做是一个比特。如果我们进行打开或关闭的动作，两个状态的切换就会立马实现，而一个量子比特会是两个状态的叠加态。问题是你没办法去观测它，在你观测它的一瞬间，它就会塌缩成开或关。但我们只需要想象一下，这东西是0和1。和这个字在这里有了新的含义，它的含义和经典物理中不一样，它代表着所有你可能测到的态。
　　02量子纠缠
　　1935年，爱因斯坦和波多尔斯基（BorisPodolsky）、罗森（NathanRosen）一起发表了一篇文章，题目是Canquantummechanicaldescriptionofphysicalrealitybeconsideredcomplete？（量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗？）。这就是著名的EPR文章。在文章中他们提出，如果有两个粒子，它们相互作用后分开，这样就会出现对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的情况。爱因斯坦不喜欢这种事情，并且将其称为幽灵般的超距作用。对于这篇文章，《纽约时报》评论道：爱因斯坦攻击了量子理论：一位科学家和他的两个同事发现它不完备。如果你和爱因斯坦一起发表文章，你就不被称为科学家了，仅仅是个同事。
　　随后，薛定谔用了一个非常漂亮的词语来描述这件事。他使用了德语Verschrnkung，意思是两个物体关联了起来。但对应的英文翻译Entanglement表意很糟糕，就像在表示一团乱麻。相比下，德语名字就好多了，它指的是两个事物之间非常好的关联，这个关联可能在未来被用以实现纠缠的骰子。我们现在买不到它，也许在未来的50年内可以买到。所谓纠缠的骰子就是指，无论这对骰子相距多远，如果你扔了一个6，那么另一个也会是6；如果你扔了一个3，那么另一个也会是3；以此类推。它们完美同步，但实际上它们之间并没有连接起来。薛定谔表示这不是我们现在已知的物理，这是新的物理现象。
　　03量子密码学
　　现在我们开始讨论量子密码学。量子密码学有趣的地方是，两个人用经典的信道来交换信息，然后他们使用量子信道来建立秘钥。你可以让窃听者操作所有的信道，但只要你操作正确，就算是Makarov教授（注：一位著名的量子黑客）来做信道攻击，你仍然是完全安全的，窃听者无法获得任何信息。实现的方法之一就是利用纠缠。
　　首先，我们生成一对纠缠的光子，比如它们在偏振维度发生纠缠，然后把它们往两端传输。这时，位于两端的Alice和Bob测量它们的偏振。在每一端，都能测到垂直或水平偏振，也就是0或者1。重点是，如果Alice和Bob在两端进行同样方式的偏振测量，那么两人的结果就会完美相关：要么都是0，要么都是1。
　　Alice和Bob获得了两个随机数序列，它们是完美关联的，也就是同时在两地生成了秘钥。注意，在这种方式中你不需要传输秘钥，它是由阿图尔埃克特（ArturEkert）最早提出的。你需要做的是，首先对原始数据加密。比如Alice想要发送一张图片，那么我们将要发送的图片和Alice的秘钥这两组数据混合成一幅图，这就是传输过程中间的加密图片。由于采用一次一密的加密技术，其他人无从破解这张图到底是什么。但是Bob有相同的秘钥，他可以一个比特、一个比特地将这幅图解码出来。
　　04量子隐形传态
　　量子隐形传态（quantumteleportation），这是一种奇特的量子现象，你们或许听过它。
　　在科幻作品中，量子隐形传态大概就是大喊一声：Scotty，传送我（注：《星际迷航》中的经典台词）。那你们知道为什么在电影中会这么拍吗？电影中这么拍是为了节省制作成本！一艘飞船到达地面，你看着它着陆，拍摄这样的场景是很贵的。但是拍摄一束光把人传过去的场景就不贵了。
　　电影中的设定是扫描信息、传输信息，然后重组物质。这个设定已经被很多人批评，因为这是不可能实现的。由于量子力学原理，如果你只有一个系统，我们是无法获得系统的所有信息的。海森堡，量子力学奠基人之一，说不可能完全测量出系统状态的全部信息。所以电影制作人私下里发明了海森堡补偿的概念，当然这实际上并不存在。
　　正如海森堡所说，你无法完整的测量出要传输的初态的信息，而量子隐形传态妙就妙在：你并不测量要传输的初态，你仅仅只是利用了纠缠。借助量子纠缠，我们可以将未知的量子态传输到遥远的地点。1997年，我和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，实验非常成功。潘建伟也是这一个实验的重要参与者之一。
　　在最初的实验中，我们所实现的传输距离很短。后来，我们又完成了跨越多瑙河的量子隐形传态实验，以及非洲加那利群岛之间的远距离纠缠和隐形传态实验。岛屿之间的距离是百公里左右，在很长时间内这都是纠缠分发的最长纪录。现在很显然，它被墨子号量子卫星打败了。
　　墨子是中国古代的一位哲学家，他是第一个证明光沿直线传播的人。你可能会说，这不是很显然的吗？但它是需要证明的。墨子号量子卫星的命名就是为了纪念他。通过墨子号量子卫星，科学家们不仅实现了千公里级的纠缠分发和量子隐形传态，还实现了第一个洲际量子通信实验。
　　05未来可以做什么
　　中国在远距离量子通信领域已经领先于世界。通过墨子号量子卫星以及上海和北京之间的量子京沪干线，他们在千公里级距离上实现了纠缠分发和量子通信。全球性量子网络的远景也很令人振奋：地面上，我们有局域网，通过空气和光纤来传播光子；然后建立地面和量子卫星的联系，从而把信号传到世界上任何一个地方。我们也想在欧洲建立一个量子网络，不过尺度比中国的要小得多。
　　我相信，我们会为未来的发展感到震惊。