从爱因斯坦最初的置疑和贝尔的实验到2022年诺贝尔奖，量子纠缠已经发展成为了物理大厦的支柱。那么什么是量子纠缠，为何科学家需要花费数十年时间来确立量子纠缠的存在。《Knowable》杂志播客主持人亚当·李维与嘉宾物理学家尼古拉斯·吉辛为我们解答其中的奥秘。
亚当·李维：关于现实的本质，量子物理告诉了我们什么？两个距离很远的粒子能够互相影响吗？宇宙真的是“幽灵般的”吗？我是亚当·李维，这里是杂志《Knowable》。在这一季的节目中，我们将会讨论科学思想是怎样、以及何时发展起来的。每一集节目，我们都会探讨一个曾经改变了我们思维方式的主题。在本集中，我们聚焦的是一个已经在物理学中实际存在了大约80年之久的主题，实际上是一个短语，“幽灵般的超距作用”。爱因斯坦在表述他深感荒谬的新兴的量子物理思想时，采用了这一令人印象深刻的措辞。在这一集中，我们将会探讨是什么让爱因斯坦感到过于“幽灵”以至于无法接受，以及北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔所提出的一种能够最终用于测试宇宙并验证爱因斯坦的怀疑是否具有依据的方法。不过，在此之前，我们需要来讨论一下20世纪早期物理学领域所发生的变革。在当时，人们越来越清晰地意识到，宇宙并不按照物理学家之前所描述的那样运行。什么是波粒二象性？
经典物理学用确定性的规律描述世界。这些定律支配着波和粒子，比如光和电子的运行方式。但这些定律并不能解释当时出现的大量的新奇现象和实验结果。因此，宇宙的经典观点逐渐被量子力学的观点所替换，后者用于描述微观结构的奇异特性。尼古拉斯·吉辛：起初，这就是人们所说的波粒二象性。亚当·李维：这位是日内瓦大学的尼古拉斯·吉辛教授。他毕生致力于应用物理和量子物理的研究，并花费了数十年的时间探寻量子物理在通信中的应用。尼古拉斯·吉辛：假设你有一个粒子，它可以是电子，也可以是原子。所有的这些粒子有时会表现地像一个粒子，比如说像一个台球；但也有些时候它们会表现地像一束波。我们可以说，粒子的波粒二象性真正拉开了所有量子科学的序幕。直到上世纪六十年代，甚至更晚，波粒二象性仍然都是科学问题的主要关注点。亚当·李维：宇宙的构成要素既不是波，也不是粒子，但却能够以某种方式兼具两者的特性。这一概念彻底地颠覆了物理学。即便这可能曾经是主要的关注点，但是量子物理的奇异性质所带来的问题远远不止这些。量子物理预言，粒子之间可以相互发生纠缠。这意味着多个粒子可以汇聚并形成根本上的连接。即使这些粒子后来被分隔很远，我们也不再能够去独立地描述它们的性质。对于某一粒子的观测会显著影响到另一个粒子的观测结果。尼古拉斯·吉辛：量子纠缠是指：现在，如果我对第一个粒子进行测量或者采取某种其他操作，第二个粒子便会以某种方式受到影响，或者说，第二个粒子发生了“颤动”。亚当·李维：这种观点向爱因斯坦宇宙观念的核心提出了挑战，即所有的信息在宇宙中的传递都不能超过光速，因此，没有任何物体能够对其他与之分离的物体产生瞬时的影响。然而，量子物理却认为，测量一个处于纠缠状态的粒子能够对其他部分产生即时的影响，或者说颤动。尼古拉斯·吉辛：是的，所以和当时的许多人一样，爱因斯坦意识到，如果你在一侧进行测量，另一侧也将会受到某种影响。我们可以举这样一个例子：其中的一个粒子可能就在日内瓦，也就是现在我坐着的地方，而另一个粒子也许会在相隔遥远的美国。即便这样，这些粒子的纠缠特性也会让你无法分别地描述它们。爱因斯坦就是不能相信这一点，所以他认为量子纠缠是不可能存在的。亚当·李维：事实上，在1947年，爱因斯坦曾经给马克思·波恩写过一封信。信中，他把我们现在所讨论的这种非定域性戏称为“幽灵般的超距作用”。这一说法一直沿用至今。不过在当时，爱因斯坦究竟是在单打独斗地反对这些观点，还是说其实在物理学家之间曾经有过积极的讨论呢？尼古拉斯·吉辛：没错。所以我认为爱因斯坦曾经发明了很多准确且具有创造性的说法，比如说“上帝不掷骰子”，还有“幽灵般的超距作用”。“幽灵般的超距作用”确实反映了触碰位于日内瓦的粒子，会使得处在美国的粒子发生颤动的观点。的确存在着这样一种超距作用。爱因斯坦讲到：“这太诡异了，它不可能是真的。这只能是幽灵般的作用。”令我感到惊讶的是，在当时，物理学家并没有给予这一问题更多的关注。当时绝大多数的物理学家对这些问题和议题毫不关心。并且在当时也没有办法将这一理论转化为实验。甚至有人认为，这是一个没有物理结果的纯粹的哲学上的问题。我们马上就会发现他们彻底地错了，尽管这些观点才是当时的主流。
贝尔测试
亚当·李维：在爱因斯坦去世后不久，约翰·斯图尔特·贝尔在1964年提出了一种可能解决问题的检验方法。如今，我们称它为贝尔测试。这一测试的核心是什么？尼古拉斯·吉辛：假设现在你有两个粒子，它们被最大限度地纠缠，处于高度纠缠的状态。为了方便解释，你可以把它们都想象成硬币。这样你就会得到两种可能的测量结果。当你去抛这些硬币时，你可能会得到正面向上或者反面向上。现在，如果你在两边用相同的方式去抛这些硬币，你总会得到均为正面向上或者均为反面向上的结果。亚当·李维：这就是量子物理所预言的幽灵。爱因斯坦无法相信这一点。两个处于纠缠态的粒子即使被分开，也永远只会显示相同的测量结果，因为你所测量的是它们整体的性质。这就好比说，有人向你保证，当你在抛掷两枚分立的硬币时，一定可以得到相同的结果。似乎两个粒子都瞬间地同意了展示正面向上的测量结果。不过，还可能有一种不那么幽灵般的解释。比如说粒子可能在被分开之前就达成了一个秘密计划，决定好了在被抛出后要显示哪一面朝上。这样就不会再有量子纠缠的存在，只不过是粒子在将它们的计划付诸实践罢了。自约翰·斯图尔特·贝尔首次提出了验证量子纠缠的幽灵性的方法以来，半个世纪内，已经有少数的实验证明了量子纠缠的存在。这里展示了一张理论物理学家贝尔在欧洲核子研究中心时的照片（1982）。尼古拉斯·吉辛：并且，约翰·贝尔提出了一种天才般的想法，那就是稍微改变了一下抛硬币的方式。现在让我们假设其中一枚硬币仍然用常规的方式抛出，而另一枚硬币以稍微不同的方式抛出。亚当·李维：也就是说，我们可以采取略有不同的方式去测量这两个粒子。这样的话，它们还会互相约定一个测量结果吗，比如说都显示正面朝上？约翰·斯图尔特·贝尔是一位粒子物理方面的理论物理学家。他抽出了一些时间用于研究量子理论，并意识到这种稍有不同的抛硬币的方式能够最终解决这一问题。粒子之间是否真正地发生了纠缠，或者说爱因斯坦否认量子“幽灵性”的观念是否正确。如果爱因斯坦是对的，并不存在量子纠缠，只不过是粒子之间提前达成了一项秘密计划，那么在物理学家就能够在不断重复抛硬币实验的过程中，找到两个粒子具有相同测量结果的频率的上限。尼古拉斯·吉辛：不过，在量子力学中，你可以违反这一上限，这就是我们所说的贝尔不等式。亚当·李维：所以如果量子物理是正确的，粒子确实被纠缠在了一起，并且 “幽灵般的超距作用” 确实存在，那么在重复实验的过程中，两个粒子更有可能展现出均为正面向上或者均为反面向上。这是因为这些粒子确实被连接在了一起，它们能够对彼此抛硬币实验的结果产生瞬时的影响。换句话讲，贝尔实验能够说明究竟哪一种观点是正确的：是量子预言的纠缠状态，还是爱因斯坦和他对这种怪诞行为的怀疑。
尼古拉斯·吉辛：这确实就是贝尔所提出的方法。它把整场讨论变成了一项潜在的实验。
量子纠缠的实验验证
亚当·李维：不过，贝尔本人并没有去完成他所提出的测试。究竟是在什么时间才有人真正地进行了一场能够明显说明粒子确实是以这种幽灵般的方式相互纠缠的实验的呢？
尼古拉斯·吉辛：是的。所以约翰·贝尔是一位理论学家，他并不知道怎样去完成实验。我们只能再等10年，直到1970年代，约翰·克劳泽首次得到了当测量方式略有不同时，两个粒子在很大的概率下具有完全相同的测量结果的实验结果。
亚当·李维：约翰·克劳泽是通过操作钙原子，来获得两个明显处于纠缠状态的光子，从而完成贝尔测试的。这些光子，类似于抛硬币般，被使用稍有不同的方式测量，在这里意味着去测量光的偏振方向，即光波的摆动方向。基于这样的实验，克劳泽能够观察到两个光子产生相同测量结果的频率。实验的结果确实与贝尔不等式相悖，这就表明这些光子的确处于纠缠状态。爱因斯坦的假设似乎是错误的。
尼古拉斯·吉辛：这绝对是一个了不起的结果。不过约翰·克劳泽还面临着不止一处麻烦。
首先，在美国海岸的对岸，还有其他人在约翰·克劳泽之后也进行了这一实验，不过他得到了另一个不同的结果。很明显，这两个结果之中有一个是错误的，但是你怎么会知道哪一个才是错误的？
另外，在1970年代，没有人会把它当做一个严肃的物理问题。正因如此，没有任何大学愿意将约翰·克劳泽提拔为教授。他的职业生涯被严重地阻碍了，就因为他是首个完成贝尔测试的人。
后来又有另一项实验，但这已经是1980年代的事情了。所以你会发现，每次重大的实验都要再经过10年左右的时间。
这一次实验由阿兰·阿斯佩和他的同事在法国巴黎完成。他们的实验做得更好，质量也更高，尽管耗时也更长。在一定程度上他们解决了这一问题，并证明了量子力学的观点。自此，量子纠缠不再停留于理论，而是被确立为自然界的一种真实特征。
亚当·李维：这些实验最终证明了量子力学的观点，并否认了爱因斯坦的怀疑，表明“幽灵般的超距作用”是一种自然存在的现象。但我想事情并没有就此结束。在当时，还有一些没有解释清楚的地方需要解决，也就是我们所说的漏洞。
相比于说对彼此的测量结果产生瞬时影响，粒子也许还会有一些隐藏的手段，允许它们提前制定计划来欺骗测试。物理学家把这种可能存在的粒子欺骗行为称为局域变量。您能说明一下为了消除这些漏洞，以确定量子纠缠是自然界的真实特征而做的努力吗？
尼古拉斯·吉辛：在阿兰·阿斯佩的实验中，最主要的漏洞源自于实验中产生光子对的过程。
当然，你不会把它们送到日内瓦和美国，但是你会把它们发射到大的实验室的两端，令它们保持10米左右的间距。随后，你需要对它们进行测量。
然而在真实的实验中，当你在进行这些测量时，很有可能得不到任何结果，仅仅因为光子在途中丢失，或者探测的结果受限于探测器自身的效率。一个光子很容易丢失或者检测不到。所以你确实可以认为，是这些假定的局域变量决定了光子在什么时间才能够被检测到。你也许可以解释实验的结果，但其实一切都是由局域变量引导并驱使的。因此，这一点仍然需要进一步的测试。在阿兰·阿斯佩之后将近30年，在2015年进行了额外的测试。我们用了很长的时间才得到了性能足够好的单光子探测器。亚当·李维：这次测试有效地使用了光子和电子的组合来绕过检测的问题，允许测量相距超过1公里的纠缠粒子对。从那时起，大量其他形式的贝尔测试不断出现以修补量子纠缠的其他漏洞。而这些测试采用了从卫星到电脑游戏等几乎一切手段，不断地推动着这一领域的极限。但是如果说物理学家进行这些实验的初衷，仅仅是因为粒子可能以某种方式密谋欺骗实验结果，从而让我们误以为它们的行动如同幽灵一般，这样的想法是不是会显得太偏执？尼古拉斯·吉辛：物理学家确实很偏执。然而，贝尔不等式的不成立意味着量子理论的这一特点不仅仅是某一理论的特征，更是自然界的一种特征。所以它改变了物理学所展示给我们的世界观。这一巨大的变化是一场概念上的革命，因此，能够决定光子何时才能被探测到的局域变量，即便只是假定的，也值得我们的关注。
所以，我认为深入到底的研究确实是有意义的。要记住，物理学其实只是一门实验科学，仅仅思考理论是不够的，你也必须要做一些实验。因此我认为这样的工作是很有意义的。但我也同意说，几乎没有一个人，也几乎没有一个实验学家相信自己可以证伪量子力学。尽管这样的工作也是有意义的。
量子纠缠对我们的生活意味着什么？
亚当·李维：不过，难道这一切都只停留在理论上吗？或者说，对于量子世界的理解以及完成这些实验的方法能否为我们逐渐平淡的生活带来一些实际的应用？事实上，早在爱因斯坦的时代，这还是一种纯粹的哲学上的问题。约翰·贝尔将它转变为一种可行的实验，并由约翰·克劳泽首次完成。阿兰·阿斯佩率先完成了具有结论性的实验。到了1990年代，人们突然意识到，这一类抽象的思考的确具有实际上的影响。因为事实上，如果你永远，或者几乎永远都可以从两个粒子那里得到相同且随机的结果，你便会得到在一定距离上的随机性。而这种非定域的随机性非常接近于一种加密密钥。你可以把加密密钥看作是一种密码。什么是密码？密码必须在两端都保持相同，比如说你和亚马逊或者你的银行，或者其他别的什么机构，又或者是你想进行保密交流的任何人。要注意，密码必须是随机的。通过量子纠缠，我们就已经得到了具有这样特征的密码。另外，基于量子纠缠的理论，我们还能够知道，如果两个粒子处于高度纠缠的状态，它们便不能与其他任何物体发生纠缠。它们不可能与第三个粒子发生纠缠。因此，这便确保了保密性。所以，如果你和银行处于纠缠状态，你就可以在两边得到相同的随机密码。并且，你可以确定绝对不会再有人拥有你的密码的副本，而这正是你想要的。所以说在精神上，密码学和贝尔不等式的不成立十分接近。
但这是一场彻底的革命，人们突然意识到这些奇异的量子关联、贝尔不等式、以及局域变量的可能存在或缺失其实都是加密密钥。所以，它们在我们所处的信息化社会中非常有用。
亚当·李维：2022年诺贝尔物理学奖颁发给了实现贝尔测试的工作。这样的荣誉颁发给这项工作具有怎样的意义？尼古拉斯·吉辛：我想，2022年的诺贝尔物理学奖不仅仅是对于三位得奖者（约翰·克劳泽、阿兰·阿斯佩和安东·蔡林格）的认可，更是对于整个领域的认可。这一领域已经被忽视了数十年，现在终于得到了最高水平的认可。我得说，诺贝尔委员会犯了一个巨大的错误，他们没有把诺贝尔奖颁发给约翰·贝尔。他本应该得到这一奖项，但是他去世得太早，或者说诺贝尔委员会行动地太迟了，或者因为其他别的原因。所以，我个人对这一奖项十分满意。当然它颁发给了三位个人，但是在他们三人之上，这一奖项确实承认了一个曾经饱受争议的领域。最好的例子就是约翰·克劳泽。他首次较好地完成了贝尔测试，但是却从来没能在任何一所大学中谋得一官半职。许多这样的工作都被忽视了，直到他在50年后获得了诺贝尔奖。所以这真的很了不起。我不知道这样的事情是否经常发生：一个领域被忽视了如此之长的时间，大概有几十年。当我自己开始从事这一领域时，我只能把工作安排在晚上9点之后，仅仅依靠它根本无法谋生。但是现在，诺贝尔委员会承认了它。这一点很好。亚当·李维：现在，争论终于结束了吗？我们是否能够在今天确定地指出：宇宙确实是幽灵般的，没有任何的漏洞，并且粒子不会密谋去欺骗贝尔测试？尼古拉斯·吉辛：可以，但只不过我不会说它是“幽灵般的”。我认为没有什么是幽灵般的，与之相反，这一切都非常地真实。我是说，这已经成为了实验室中的常规测试，你甚至还会有一些学生在实验室里做这样的练习。所以这是一种非常确凿的事实。
如何看待量子力学取得的成就
亚当·李维：您怎样看待在过去的几百年中，我们在理解量子行为中取得的巨大进展？尼古拉斯·吉辛：我想说的是，在过去的30年里，对我而言，理解量子行为是从知道了这些非定域量子相关能够自然地产生加密密钥开始的，这是非常有用的东西。你可以看到这种变化。起初，人们在讨论的都是波粒二象性，然而现在，几乎没有人会再去讨论这一点。人们都在谈论量子纠缠。量子纠缠真正地改变了人们的看法，并且让量子力学变得如此流行。今天，我想在这一领域内不会有哪篇文章、哪本书和哪一场讲座不会提到量子纠缠。所以，量子纠缠最终被确认为是量子力学的本质。亚当·李维：事实上，量子纠缠，这一爱因斯坦认为难以置信的“超距作用”，如今已经是我们许多量子技术的核心：无论是用于确保你与银行通讯的保密性和安全性的新型加密技术，还是对于建造具有实际用途的量子计算机的长远探索。时至今日，物理学家和记者仍然经常把量子纠缠称作“量子幽灵”。物理学家用了很长的时间来反思爱因斯坦对于量子物理的抱怨，并用了更长的时间来证明他是错误的，最终指出量子纠缠是宇宙运行的一种基本方式，即使是分隔的粒子之间也具有某种同步性。不过，如今的物理学家正在积极地将“幽灵般的超距作用”付诸实践。
