实验精神终将胜利量子纠缠的祛魅七十年

　　图片来源视觉中国
　　文脑极体
　　10月4日，2022年诺贝尔物理学奖公布。奖项颁发给了法国科学家阿兰阿斯佩、美国科学家约翰克劳泽和奥地利科学家安东蔡林格，以表彰他们在纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学方面所做出的贡献。
　　消息一出，量子纠缠一度登上了热搜首位。随即，我们看到艰深的物理话题引发热烈讨论。媒体想了千奇百怪的比喻来科普量子纠缠多么奇妙；段子手们说诺贝尔也遇事不决量子力学；各路高人感叹科学的尽头是玄学，并对人生、宇宙、未来发出长篇大论的感慨。
　　这些内容看多了之后，似乎我们会有这样一个感觉：诺贝尔物理学奖，是颁给了某项特别神秘、宏大、不可思议的发现。量子纠缠的下一步，就是时空穿越、心灵感应、四维空间。
　　被神秘和遥远吸引，是人类的本性。但大家在畅想量子纠缠的诗与远方时，可能忽略了另一个问题：这次诺贝尔奖的三位得主，并不是量子纠缠现象的发现者，甚至他们的工作领域并不是理论物理。
　　与量子纠缠这个概念所带有的神秘与超现实氛围不同，三位诺奖得主的主要工作方向是务实、严谨的实验物理。也就是在数十年间一次次的实验中，人类对量子纠缠的认知，有了缓慢但真实的推进，量子信息科学这样一个全新应用方向才得以打开。
　　祛魅，是指科学知识中神秘性、神圣性和魅惑力的消解。这个词用来形容人类对量子纠缠的认知历史非常合适。在听多了量子纠缠有多么神奇、多么伟大之后，我们不妨从另一个简朴至极的角度做实验，来重新回溯这段历史。
　　这段历史讲的不是科学的尽头是玄学，而是科学终将解释更多，是实验精神终将胜利。
　　争论起源：微观世界与EPR佯谬
　　今天我们随处能看到很多关于量子世界、时间与空间的高谈阔论。但这其实并不新鲜，100年前大体也是如此。早在19世纪末，伴随着经典物理学得到了极大发展，无论是学界还是社会舆论，都开始将目光望向微观系统。20世纪初，量子力学的理论解释工作开始推动。伴随着来自全球的关注，这个领域的争议与讨论也开始丰富了起来。
　　量子纠缠的概念争议，就来自被称为世纪之争的量子物理辩论。所谓量子纠缠，是一种微观世界中奇特的量子力学现象。处于纠缠状态的两个量子，不论相隔多远都会存在某种关联性。这个显然违反经典物理学的设想，其实是来自一种悖论假说。
　　1935年，正在与玻尔为代表的哥本哈根学派的爱因斯坦，联合了罗森、波多尔斯基共同发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》。后人以三人名字的首字母命名其为EPR论文。文章中，爱因斯坦质疑了玻尔等人提出的量子力学设想，认为一个粒子只能在局部拥有其所有特性并决定所有测量结果。如果量子系统真的具有强关联态，那么这种管理关系要么会以超光速发生，但这显然违背了相对论；要么当时的量子力学设想具有某种不完备性，缺少前置条件。这个悖论被称为EPR佯谬。
　　由于EPR佯谬是以思想实验的方式提出的。于是玻尔在进行回击时，也主要抓住了思想实验的实验条件不充分、观测手段与观察方法有谬误等方向进行。这里我们无意也没有能力对物理学命题进行深入探讨。但可以发现的是，最初对量子纠缠是否为悖论的讨论，就集中在实验是否可行，以及实验的前提条件、观测手段等等。量子力学的世纪论战，并不是很多人想象的华山论剑，珍珑棋局，而是发起于实验，聚焦于实验条件是否成立，实验结果是否可信任，实验过程是否可重复。
　　做个实验也成为接下来数十年量子纠缠探索的真正主题。
　　实验检索：光子纠缠与证伪贝尔不等式
　　为了在实验中探索量子纠缠是否可行，物理学界需要两项最重要的基础：实验介质与实验标准。
　　在用什么可以证明量子纠缠这一点上，物理学家约翰惠勒在1946年找到了办法：用光。
　　光是一种具有振动方向的波动传导。自然界的光往往是光线随机混合在一起的，但如果通过某种实验手段，让光的振动方向被限制，成为只沿着一种方向振动的偏振光，就可以对光的振动进行观测。光子纠缠易操作，易观察，实验结果受其他因素干扰较少，成了此后对量子纠缠效应的主要实验手段。约翰惠勒认为，按照量子力学的理论框架，正负电子对湮灭后生成的一对光子应该具有不同的偏振方向。1950年，著名华裔女科学家吴健雄宣布成功实现了光子纠缠实验，生成了历史上第一对偏振方向相反的纠缠光子。从那时起，关于量子纠缠的实验探索正式启动，到如今已经经历了70年岁月。
　　有了实验方法，下一个问题是实验标准。究竟如何确定量子纠缠效应是否真的能够跨越距离限制？这里就要提到1964年英国物理学家约翰贝尔提出了以他名字命名的数学不等式贝尔不等式。贝尔提出，如果存在隐藏变量，大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。如何量子纠缠的真实情况符合量子力学的理论预测，那么实验结果将违反贝尔不等式，从而导致超过不等式预设，粒子之间展现出更强的相关性。
　　从这里开始，2022年物理诺贝尔奖得主们走到了舞台中央。
　　1972年，约翰克劳泽发展了贝尔不等式的想法，进行了实际的量子纠缠实验。实验通过一次发射两个纠缠光子，每个光子射向检测偏振的滤光片，以此来观察产生的光子纠缠情况。而实验结果违反了贝尔不等式，与量子纠缠的设想一致。
　　但在当时，这种实验引发了很多质疑，甚至被指出了很多漏洞。比如实验在制备和捕获粒子方面效率太低、测量方式存在问题、纠缠粒子之间距离太小等等，其结果并不具备说服力。尽管面对着诸多挑战，但克劳泽教授一直坚持着光子纠缠的实验方向，并进行了源源不断地实验改进，最终证明了量子纠缠的超远距离干涉确实存在。
　　除了约翰克劳泽之外，其他人也在积极探索证伪贝尔不等式的实验。1982年，另一位诺奖得主阿兰阿斯佩等人改进并完善了克劳泽的实验方法。在纠缠粒子离开发射源后，通过切换测量设置的方式来确保制备粒子的方法不会影响实验结果。
　　1998年，第三位诺奖得主安东蔡林格等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验。通过多粒子纠缠态的实验，彻底排除了定域性漏洞，以决定性的实验结果证明了量子纠缠真实存在。同时，蔡林格团队的多粒子实验可开创了量子通信与密码学的诸多可能性。1997年，其团队完成了量子隐形传态的原理性实验验证，为量子信息学奠定了基础。2015年，安东蔡林格团队又完成了无漏洞的贝尔不等式实验验证。
　　在50年间，一次次的实验跋涉，最终证明所有结果都证伪贝尔不等式，支持量子力学对微观世界的法则设想。
　　至此我们才知道，量子纠缠是真实存在的。
　　持续探索：进入新世纪的大型实验
　　有了基础方法与基础结论，量子纠缠的科学价值也就愈发明晰。科学界的好奇开始由量子纠缠是否存在，转向了我们能否控制量子纠缠，以及能否通过量子纠缠窥探充满未知的微观世界。这个过程中，不断输出的量子纠缠实验成果，也像很多科学发展一样沿途下蛋，打开了量子信息学这个应用学科的发展空间。
　　在这个过程中，激光的发展和应用成了探索光子纠缠的主要路径，这也是我们看到很多量子实验设备都与激光紧密相连的原因。通过激光脉冲，光子纠缠现象可以被更精准、高效地控制和观察。多粒子纠缠态的研究与探索成了学界主流，造价昂贵、高度精密的量子实验设备也登上了历史舞台。
　　随着量子纠缠实验的价值愈发明晰，其带来的量子信息学价值产出更加充沛，同时实验成本不断增大。量子纠缠开始成为国家科技竞争的焦点，以及科技战略的重点倾斜方向。最近几天，大量媒体都在讨论中国在量子纠缠领域研究处于世界第一方阵，其价值与意义也在于此。
　　2012年，著名的潘建伟小组首次实现了八光子纠缠，并成功将该技术应用于拓扑量子纠错和百公里量子隐形传态实验。2010年，美国加州理工学院研究团队实现了4个量子接口之间的纠缠。之后清华大学段路明团队通过光束复分技术，在实验中实现了25个量子接口之间的量子纠缠。至此，量子加密、量子网络等量子信息学成果开始步入新的发展阶段。
　　2017年，潘建伟团队利用墨子号量子卫星完成了全新的量子通信进行试验，实现了在在1200公里的通信距离，以卫星量子诱骗态光源平均每秒发送4000万个信号光子，极大丰富了量子通信的实验手段，并为量子通信走向应用奠定了新的基础。
　　在光子纠偏之外，以超导微波来诱发量子纠偏，是另一种目前阶段的主要实验思路。也是通用型量子计算机的主要探索方向。2018年，芬兰阿尔托大学教授麦卡习岚帕团队对两个独自振动的鼓膜进行了量子纠缠，两个鼓膜持续进行了30分钟左右的互动。
　　对于量子纠缠的实验从未止步，就在今年8月《自然》杂志还发布了德国团队实现14个光子有效纠缠的研究成果。
　　量子并不代表着神秘莫测的未知。只有实验，更精密、丰富、多元的实验，才能让量子纠缠从神坛走下，来到人间。
　　应用黎明：从量子纠缠到量子通信、量子计算
　　距离第一次光子纠偏实验，已经过去了七十年。虽然在大众舆论范畴中，我们依旧有太多关于量子力学的祛魅工作要完成，毕竟今天的量子就像曾经的电能一样，有很多东西对大众来说是反常识的，但在产学衔接的端口，量子纠缠的数十年实验探索已经产出了应用成果。其中最为大众熟悉的就是量子通信与量子计算。
　　一方面，这些技术应用了量子纠缠本身的并发特性来实现目标。比如目前的量子通信，主要是通过量子加密的方式来提升信息安全水平，但也有一些量子信息科学成果，与量子纠缠的实验进程密不可分。比如光量子计算机，就充分应用了激光导致光子纠偏的实验现象。目前IBM、谷歌等公司探索的通用量子计算机，也与量子纠缠实验中的超导传递、绝对低温环境等发现紧密相关。
　　在今天，我们已经在量子纠缠理论得到确认，量子纠缠实验不断发展的帮助下，看到了量子应用的一点点曙光。尽管这种曙光依旧遥远，但可以肯定的是一旦达到某种临界点，量子信息学将对目前的信息科学产生不可逆转的巨大影响。
　　当然，利用量子纠缠无视距离界限传递信息的真量子通信尚且遥远。目前开始探索应用的量子通信主要是信息加密与解密手段。而更加饱受期待的量子计算，还依旧无法摆脱计算任务有限、对温度等环境要求苛刻、造价巨大等限制。在过去的内容中，我们说过一个有趣的现象：每一到两年，就会有公司站出来说我们实现了量子计算机超越经典计算机的量子霸权。但每次所谓的量子霸权，都难以自圆其说，无法取得业界共认。
　　不管怎么说，量子纠缠已经有一条支脉从实验室里走出来，走向了充满更多挑战的产业世界。大环境下的量子计算机发展，建设大型量子计算设备，已经成为科技巨头的兵家必争之地，甚至国家科技竞赛的关键。同时量子加密、量子模拟、量子深度学习等产业不断发展，正在为量子与现实世界之间的纠缠带来更多机遇，吸引更多人才。
　　我们曾经采访过许多量子科学与量子计算领域的老师，他们普遍认为，量子科学在今天需要更多科普，需要号召更多年轻人加入这个学科。
　　一方面，舆论反复渲染量子科学的高深莫测，甚至污名化搞出量子鞋垫、量子速读，会令很多学生对量子学科产生担忧与畏惧，不看好其就业前景，从而导致学科的人才流失。另一方面，社会中的各种大师，社交媒体上的各路大神，不遗余力发表着各种各样的量子高论，其实都与量子科学没有任何关系。这很容易让一个刚刚产生火花的方向，蒙上太多不必要的阴霾。
　　如果大家真的关注量子纠缠，那不妨多读一些科普内容，关注各大科研机构、科技企业的量子技术布局。千万不要受到诺奖新闻影响，去很多量子XX贴吧读一些民间高手的奇谈怪论。那些东西过于离谱。
　　不是什么东西都要落到玄学，时空，佛性，四维空间，多元宇宙上去。科学世界也没有遇事不决，量子力学。量子纠缠的探索，反而是实验精神的胜利，是人类用理性战胜未知的胜利。
　　坐而玄谈是一种快乐，甚至是人的本性。但这最多能丰富一下业余生活，结交三五知己。真正推动科学进步的，是实验精神与专业分工，是数十年如一日的艰苦探索，是不断提出证伪，找寻漏洞，拓展手段，夯实结论。
　　实验精神终将胜利，我们终将像面对电能、计算机一样面对量子世界。抵达终极的办法只有一个，就是让终极成为旅途的一部分。