纠缠态双光子图像为什么如此像太极图？

8月22日，加拿大渥太华大学官方发布消息，该校研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛·齐亚（Danilo Zia）和法比奥·夏里诺（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一种新技术，可以实时显示两个纠缠光子(构成光的基本粒子)的波函数。

这一成果有望加速量子技术的进步，改进量子态表征、量子通信并开发新的量子成像技术。相关研究刊发于最新一期《自然·光子学》杂志（Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3）

这是非常专业的量子物理学的最新进展，但是其中的插图引起了吃瓜群众们的广泛关注，就是下面这幅图：

这一物理学的最新研究成果，无论怎么看，都跟中国人耳熟能详的太极阴阳图可以说是一模一样。

难道说科学的尽头是玄学？

为了让不熟悉物理学的观众们都能理解，以下做个简单科普。物理学早已证明，宇宙万物都是由极小的微观粒子构成的，首先绝大多数物质都是由分子构成，分子下面是原子，原子下面是离子，离子下面是质子，质子下面是中子，然后是电子。量子是个比较泛的概念，它指的是原子以下的离子、中子、电子等。

在量子微观世界，描述物质运动不再是宏观的牛顿运动定律，而是量子力学，而其中的核心就是波函数。简单地说，微观物质并不是图示中那样的小球，而是弥散在空间中的波函数，波函数是时间和空间的函数，其模的平方对应于微观粒子在某处出现的概率密度（probability density）。基于对波函数的计算，可以预测量子系统的状态，这种基于量子力学基本原理对物质系统进行计算的方法，就是物理学所称的第一性原理计算，又被称为重头算（ab initio）。

理论上说，如果算力足够，可以通过第一性原理计算来模拟真实宇宙。

如何验证计算结果是否正确呢？那么就需要对量子系统的波函数进行观测，这就是量子态断层扫描技术。

长期以来，这是一项极具挑战性的任务。使用基于投影运算的标准方法，完整的断层扫描需要进行大量测量，而这些测量会随着系统复杂性（维度）的增加而迅速增加。此前研究表明，利用传统方法表征或测量两个纠缠光子的高维量子态需要数小时甚至数天。此外，实验结果对噪声高度敏感，并与实验装置的复杂性息息相关。

上述研究将经典光学领域的数字全息术扩展到两个光子的情况，并且极大提升了检测速度。其创新之处，是让两个光子与一个量子态叠加，然后分析两个光子同时到达位置的空间分布。对两个光子的同时到达成像被称为重合图像，这使他们获得了用于重建未知波函数的干涉图案。研究团队通过一台可在每个像素上以纳秒分辨率记录事件的相机实现了这一点。

作者之一，阿莱西奥·德埃里科(Alessio D 'Errico)博士，强调了这种创新方法的巨大优势。他说：“这种方法比以前的技术快得多，只需几分钟或几秒钟即可，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，这解决了投影断层成像中长期存在的可扩展性挑战。”

实验光路图

2019年人类曾经首次拍摄量子纠缠态的图像，如下所示，形如相对的两个豆瓣。当时就有人猜测纠缠态量子的图像应当像太极阴阳鱼，最新研究成果证明果然如此。这一实验结果意义可谓重大，让我想起17世纪随着天文观测技术的提升，伽利略在1610年首次观测到模糊的土星环残影，到1655年惠更斯观测到完整土星环的过程，由此揭开了对宇宙认知的颠覆性革命。

那么，什么是量子纠缠态？它有什么用？这正是2022年诺贝尔物理学奖的研究成果：“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。

在量子力学描述的微观世界中，存在若干与宏观系统截然不同的性质，其中最典型的就是叠加态和纠缠态的存在。

叠加态：量子系统可以同时处于所有可能的状态，但会在被观测后立刻塌缩到其中的一种状态，薛定谔当初认为这是极端荒谬的，并编了一个“薛定谔的猫”的思想实验。将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里，当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后，外部观测者观测时，物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。

纠缠态：当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。

叠加态与纠缠态共同作用，就会带来不可思议的超距作用，该作用的传播速度可能会远超光速，这就与宇宙的已知基本规则“光速不可超越”产生矛盾。最早提出这一观点的是著名物理学家爱因斯坦，他将其称为“恐怖的超距作用”（Spooky action at a distance），爱因斯坦于1935年与两位助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一个思想实验，以他们各自名字首字母命名，就是著名的EPR佯谬。

EPR佯谬描述了A、B为自旋1/2的粒子，初始总自旋为零。假设粒子有两种可能的自旋，分别是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋为 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持总体守恒，反之亦然。这时我们说，这两个粒子构成了量子纠缠态。

两个粒子 A 和 B 朝相反方向飞奔，它们相距越来越远，越来越远……。无论相距多远，它们应该永远是 |上>|下> 关联的。

难道，A 粒子和B粒子之间有某种不为人知的方式及时地“互通消息”？

爱因斯坦认为量子纠缠这种超距相互作用是不可思议的，因此他认为量子力学是不完备的，他希望建立一个更普适的局域实在论理论来弥补量子理论的不足，消除超距作用。作为爱因斯坦思想的继承人，玻姆在1952年在引入了 “隐变量”，在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。

物理学的任务，就是要验证究竟是量子力学理论正确且完备还是局域隐变量理论正确且完备，两者必居其一。其中引发了无数口水仗，但是没有一个人能够设计出一个实验给出令人信服地证明。

1964年，物理学家约翰·贝尔定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2。而用量子力学理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。

约翰·贝尔与贝尔不等式

贝尔不等式的诞生，宣告了量子力学理论的局域性争议，从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。虽然贝尔作为一个爱因斯坦的追随者，其研究隐变量理论的初衷是要证明量子力学的非局域性有误，可后来所有的实验都表明局域隐变量理论预言有误，而量子理论的预言与实验一致。

1972年，John Clauser和Stuart Freedman在加州大学柏克莱分校完成第一次贝尔定理实验，因存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之间距离太小，不足以说明纠缠的非局域性，结果不具有说服力。

1982年，Alan Aspect等人在巴黎第十一大学改进Clauser和Freedman贝尔定理实验，实验结果违反贝尔定理。

1998年，Anton Zeilinger等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，彻底排除定域性漏洞，实验结果具有决定性。

2015年，荷兰Delft技术大学的Ronald Hanson研究组报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。要避免局域性漏洞，只需把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的两个实验室。利用纠缠光子对和纠缠交换技术，他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒，而完成一次实验的时间为4.18微秒，比光通信时间少90纳秒，因此解决了局域性漏洞。此外，色心的测量效率高达96%，测量漏洞也被堵上了。总之，他们声称实现了无漏洞的验证贝尔不等式的实验，在96%的置信度（2.1个标准差）上支持量子理论，从而证伪了局域的隐变量理论。

事已至此，隐变量理论的拥护者已经被逼到墙角，但是他们仍不死心，提出了一种解释，认为在纠缠量子的测量中，量子可能是有意识的。一个纠缠量子感知到观测者将要测量它的方式，就可以提前和另一个纠缠量子串通好，使得观测者得出俨然有超距影响的误导结果。

为了彻底封死反对者的借口，量子物理学家设计了所谓的大贝尔实验（the Big Bell Test），其设计思想是：用观测者的自由意志，来对抗纠缠量子的意识，如果观测者随机选择测量方法，纠缠量子就措手不及，没有提前串通的机会。若随机选择测量方法仍然得到超距测量结果，那就说明超距影响的确存在。

反方拿出粒子具有意识来进行反驳，正方则说，由于人具有自由意志，粒子不可能预测出人会做出怎样的选择吧？到这一步，无论是量子力学的正方和反方，都已经脱离了我们通常认知的科学范畴，来到玄学的边缘了。

就是这样一个看起来具有玄学色彩的实验，居然还真的实施了。

2016年11月30日,全球9个研究机构（格里菲斯大学量子计算和通信技术中心、昆士兰大学工程量子系统中心、康塞普西翁大学电机系（包括三个子节电林雪平大学电机系、塞尔维亚大学和罗马大学物理系）、中国科学技术大学、光子科学研究所、量子光学和量子信息研究所、慕尼黑大学、尼斯大学凝聚态物理实验室、苏黎世联邦理工学院量子器件实验室）以及世界各地、各种年龄的10万名志愿者共同开展大贝尔实验。

在实验中，所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数，在过关游戏中快速随机地按下0或者1，12小时内共持续产生每秒逾1000比特的数据流，全部记录在互联网云端，并被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队，用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验，实验结果强烈否定爱因斯坦的定域性原理。

尽管像爱因斯坦这样的顶级物理学家都无法理解，但实验确凿地证明了量子纠缠态确实存在。以下是爱因斯坦和量子力学的主要奠基人之一波尔当年争论的画风，一句话总结就是，在量子力学的世界中，“上帝也疯狂，世界充满随机”。

量子态一方面是随机的，另一方面又体现了信息的超距传输，其中深刻揭示了宇宙的本质，特别是物质、信息（意识）、时间、空间之间的关系，并不是我们通常认知的那样。

但其关系具体是什么样，目前还没有人能说得清楚，以至于艾隆·马斯克等人坚定地认为，世界是被模拟出来的，人类生活在真实世界的几率不足十亿分之一。

如果世界真的是被模拟出来的，那么开头所提到的这个实验提供了我们hack这个模拟世界的工具，宇宙最基本的函数也许就是太极阴阳鱼，宇宙是无数阴阳鱼叠加形成的。如果我们能进一步破译它，也许就可能达到如《封神演义》中的通天教主一般的境界，“重开地水火风，创造一个新世界”！

那么，中国古人是如何认识到太极图案的？又为什么认为，它藏着宇宙中最根本的秘密呢？

（未完待续）

本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。