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一场伟大的观念革命正在发生:量子纠缠和第二次量子革命

一场伟大的观念革命正在发生:量子纠缠和第二次量子革命

原创 赛先生 2016-11-14 07:10

我们正在经历一场足以和“牛顿革命”、“达尔文革命”相提并论的观念革命吗?在量子光学、量子信息、量子通讯,以及量子物理基础等领域卓有建树的瑞士物理学家尼古拉·吉桑是这样认为的。从“贝尔游戏”到自由意志,他的科普著作《跨越时空的骰子》讨论了一连串迷人的话题,试图带领大众深入到这场“量子信息革命”的核心。在该书中译本发行之际,《赛先生》采访了这位知名物理学家,请他和中国读者分享他对这场革命的独到见解。

尼古拉·吉桑著《跨越时空的骰子:量子通信、量子密码背后的原理》已在赛先生书店上架,价格优惠,全场免邮,移步至微信公众号“赛先生”(id:iscientists),点击文章底部“阅读原文”购买此书。

采访 赛先生

翻译 秋水

您用“一见钟情”来形容您了解到贝尔定理 (Bell’s theorem) 时的感受。和我们谈谈这个美妙的瞬间吧。贝尔定理何以深深震撼了您呢?

尼古拉·吉桑:那时我还是个学生,在南印度度假。当地宾馆的池子边长满了美丽的睡莲,我喝着茶,读着克劳泽和奚模尼 (Clauser & Shimony) 的评论文章。贝尔的论证彻底震撼了我。它很容易理解,我本能地觉得贝尔不等式 (Bell’s inequality) 一定是成立的……尽管实验证据正好相反。那一天,我找到了我学术生涯的主题。

第一次量子革命起始于20世纪初。20世纪60年代,物理学家们开始追问在第一次量子革命中被搁置了的问题,从而启动了持续至今的第二次量子革命。作为主要参与者之一,请您和我们分享一下这场新革命的历史,以及当前的新发展、新理论吧。眼前这场量子革命会将我们带向何方?

尼古拉·吉桑:我同意第一次量子革命发生在20世纪20年代。然而,第二次量子革命直到90年代才开始,中间是所谓的“黑暗时代”,几乎每个物理学家都宣称“玻尔 (Niels Bohr) 早就解决了这个问题”,“闭上嘴,好好算”。当然了,还是有一些“反抗者”。我也是其中之一,尽管那时候我对量子物理基础的研究只在夜里进行。我认为第二次量子革命始于阿瑟·厄克特 (Artur Ekert) 发表在《物理评论快讯》 (Physical Review Letters,主要物理学期刊之一)的文章,揭示了EPR佯谬 (EPR paradox) 和贝尔非局域性关联在密码学中的用处。一记当头棒喝:彼时几乎所有物理学家都相信诸如EPR、贝尔此类都是些空洞虚妄的概念。但空洞的概念怎么可能有用呢?紧接而来的就是量子隐形传态、高效分解大数的秀尔算法 (Shor’s algorithm) ,还有量子误差校正码的发现。一场真正的革命在量子物理学中发生了。最初的几场会议,特别是都灵会议,只有几十个人参与。但他们改变了世界。

薛定谔 (Erwin Schr?dinger) 第一个意识到,量子纠缠 (quantum entanglement) 不仅是量子力学的众多特征之一,更是一个标志性的特征。关于量子纠缠在量子力学中的地位,谈一下您的理解吧?此外,是什么事实迫使物理学家接受这一奇特的概念?它又有哪些应用呢?

尼古拉·吉桑:薛定谔,以及另外一些物理学家,早在20世纪30年代就已注意到纠缠是量子物理的标志性特征。然而,玻尔搁置了它,因此将量子信息论推迟了数十年。现在没有人会低估纠缠的核心地位了。它确实是将量子物理和经典物理区分开来的一点。高效的量子信息处理之所以成为可能,都应该归功于量子纠缠。当前,如果一个物理学家希望证明他能在量子自由度的层面上控制某个系统,他将致力于违反某些贝尔不等式。至少,违反某些纠缠目击者(entanglement witness,一种数学判则,非纠缠态将给出大于0的结果——译者注),以证明纠缠的存在。我为本书取的第一个名字是《迷人的纠缠》,不过编辑是对的:对于一本科普书籍来说,这个标题太抽象了。

您满意目前人们描述量子纠缠的方式吗?有哪些课题您认为值得新一代物理学家去深入探究?

尼古拉·吉桑:我很高兴,这一代物理学家终于理解了纠缠的中心地位(尽管高能物理学家似乎慢上一拍,还没有将这种革命性的观念结合到他们的思考方式中去)。不过,还有很多问题留待年轻的物理学家去解决。量子网络中的量子相关性就是一个典型的例子。另一个深刻问题的例子是:“既然自然是非局域的,为什么它不比量子非局域性更非局域一点呢?”还有一类问题,是搞明白量子计算机能做什么,不能做什么,以及为什么?

“非局域性” (nonlocality) 是这本书的核心概念。非局域关联与量子纠缠是什么关系?存在超越量子物理允许的非局域关联吗?在这个领域,有哪些理论和实验上的研究工作?

尼古拉·吉桑:很好的问题,也很难。根据量子理论,不存在纠缠的话,也就不存在非局域关联。可能有某种未知的物理理论,允许在没有纠缠的情况下建立某种非局域的相关性,但还没有被发现:我们已到了当前科学知识的边界。可以这样理解:非局域关联标志着有用的纠缠——不仅仅是纠缠,而且强到足以拿来应用。不过,非局域相关性与纠缠之间的精确关系确实还未被完全理解。我们需要在理论上和实验上做更多工作。

牛顿理论中的“非局域性”和量子理论中的有什么本质差别吗?

尼古拉·吉桑:有两个主要(且非常重要)的差别。第一,牛顿的非局域性被证明是错误的,也就是说,这种非局域性只存在于牛顿的万有引力理论中,但不存在于自然界。量子非局域性已被证明不仅存在于量子理论中,也存在于自然界。第二,牛顿的非局域性预言不靠任何物理依托来传输信息是可能的,在我的书中,我有时称之为“非物理通讯”。量子非局域性不允许不凭借物理依托来传输信息。

为了拯救对大自然的局域描述,物理学家做了哪些努力呢?

尼古拉·吉桑:相当多!为此我在我的书里写了整整一章。我个人曾试图假定存在某种隐藏的影响,甚至是传播速度比光速还快的隐藏影响。然而在同事们的帮助下,我们能在数学上证明这种假想中的影响会导致无法隐藏的量子相关性,从而违反相对论。直到今天仍有一些人论证说贝尔不等式是无效的,因为自由意志是一种幻觉,实验者无法自由地选择实施何种测量。对我来说,这只证明了这些人深深被量子非局域性困扰。我不把他们的论证当真,因为自由意志的缺乏程度必须被非常精细地调整 (highly fine-tuned) 才能解释量子相关性。

您对“局域实在性” (local realism) 的态度是什么?

尼古拉·吉桑:“局域实在性”这个术语不好,它造成一种错觉,好像人能在“局域性”和“实在性”之间做选择一样。对我来说,这个糟糕的术语只是历史的偶然:选错了词。经贝尔本人更正的、更好的方案是说“局域因果性”。事实上,对贝尔不等式的违反显示因果性不是局域的。我喜欢说,对贝尔不等式的违反显示了:存在可以在几个不同的地点同时展现的随机事件。我在我的书里也这么说。

2016年8月26日,中国发射了世界上第一颗量子通讯卫星“墨子”。您对“墨子”号有什么期待吗?

尼古拉·吉桑:当然有了!在非实验室条件下证实存在量子相关性和违背贝尔不等式的现象,我是第一个进行这方面研究的人。由于“墨子”号的升空,很快就能在太空进行类似的实验了。这个技术真是了不起。此外,“墨子”也展示了中国在高新科技上的投入,这个国家有能力完成真正雄心勃勃的大项目。

您对量子通讯、量子计算机有什么看法?在不久的将来会走进人们的日常生活吗?

尼古拉·吉桑:电磁学理论创立于19世纪,它深刻影响了20世纪的生活。想象一下没有电,没有电脑、智能手机、激光、互联网和DVD的生活吧——这还只是一小部分。量子物理理论创立于20世纪,类似的,我相信这一发现及其衍生出的科技将深刻影响21世纪的生活。

在本书中,您说“如果生活在牛顿学说盛行的年代,你会想了解当时发生过的一切么?而当今的量子物理给世界带来的震撼与那时经典力学所引起的震撼是差不多的。现在,我们有机会去体验这种震撼。” “身处这场革命而不被其所吸引是很遗憾的,就如我们与达尔文或者牛顿一个年代却与他们的科学革命擦肩而过一样。”和我们谈谈这个特殊时代的伟大性和重要性吧。

尼古拉·吉桑:身处时代之中,要意识到何种观念革命正在发生可不容易。我确定在牛顿时代,大多数人不知道他们正生活在一场主要的观念革命之中。事后,人们为这些革命着迷,穷尽一生去研究它们,为它们写书。今天,一场同样规模的观念革命正在发生,而我们有幸活在这个时代。我相信,对这场革命缺乏些许了解,对任何人都将会是遗憾。为此我写了这本书,帮助大家欣赏这场革命的某些方面。

在本书的前言中,您说:“量子物理时常成为繁琐的解读和模糊的哲学论文的主题。为避免这些陷阱,我们将仅仅依赖于常识。”相比其他讨论量子力学的科普书籍,这是本书的优点吗?对科普书籍来说,是告知读者某些科学结论更重要呢,还是教给他们科学的思考方法?

尼古拉·吉桑:在两次量子革命之间是量子理论的“黑暗时代”,那时糟糕的“伪量子哲学”实在不少。现在就好多了。在我的书里,我采用了非常实际的做法。我希望能让读者在紧跟科学论证时不借助模糊的类比。这可能有点难,但能让人获得一些真正的理解。

您在本书中提到了许多最新的研究,在这本书付印之后(本书的法文本出版于2012年,英文译本出版于2014年——译者注),还有值得提及的新结果吗?

尼古拉·吉桑:是的,在我的书里,我罗列了一些未解决的难题,目的是表明这个领域依然十分活跃。有几个问题已经被解决了,或者至少有了相当的进展。比如“隐藏影响”的存在性被否定了,尽管还有一个意大利小组仍在进行实验,试图找到这些假想中的隐藏影响。此外在多体场景下的非局域性问题已有了显著的进展。

您领导着一个应用物理小组,同时对量子力学的基础有着理论上的兴趣。这两个方向对您的研究有什么影响?

尼古拉·吉桑:它们深深地互相影响。实验项目,甚至技术发展,都会引发提出理论问题的新方式。举例来说,我们为量子网络研发量子中继器 (quantum repeater) ,这促使我们提出更尖锐的问题:在此类网络中,什么是局域关联(有时也称为网络局域性 (n-locality) )?

当前您最感兴趣的课题有哪些?

尼古拉·吉桑:我喜欢将深刻的抽象问题、激动人心的实验和有潜在应用价值的技术结合起来。物理学不应该被分成一个个小领域:从纯理论到工程应用,物理的魅力在于将这个光谱上的每一条谱线都结合在一起。

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