2021年12月06日 09:55
【科學快訊】
演講者：安東·塞林格（Anton Zeilinger）
出品：新浪科技《科學大家》 墨子沙龍
作者簡介：
安東·塞林格（Anton Zeilinger）：量子物理學家，長期從事量子物理和量子信息方面的前沿研究，是國際上量子物理基礎檢驗和量子信息的先驅。1997年，他和同事首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領域的開山之作。他還與合作者提出並在實驗中制備首個多粒子糾纏態；在國際上率先開展中子、原子、大分子的量子幹涉實驗；進行量子力學非定域性檢驗。
因其傑出貢獻，塞林格榮獲了眾多重要獎項，包括2007年度艾薩克·牛頓獎、2010年度沃爾夫物理學獎、2019年度墨子量子獎等。
大約從20世紀70年代開始，人們開始在實驗上深入探索量子世界，思考這個世界是否真的如此奇妙。當時並不是為了應用而進行實驗，新生的嬰兒又能做什麼呢？所以，我們之中的一些人在20世紀70年代和80年代早期所做的工作並沒有什麼實際用處，而後來我們卻收獲了驚喜。這是我生命中最大的驚喜之一，我確信這樣的事情還會再發生。
相信大家對量子物理的一些基本概念已經有所了解了。我想從另外的角度來討論這些概念。你們閑暇時可以思考一下這些與眾不同的觀念，也許會對你有所幫助。
從雙縫實驗說起
這幅圖是尼爾斯·玻爾所繪畫的雙縫實驗裝置。玻爾是一名丹麥的理論物理學家，關於量子力學，他和愛因斯坦有過激烈的討論，大家一定聽說過這些故事。
請注意圖中最前面的那條縫，它在這個實驗中非常重要，它使得光源保持穩定，這樣才能看到幹涉條紋。當一束光——也可以是其他東西，如電子——到達並透過第一條縫，然後穿過中間的兩個縫隙，你會在觀察板上看到明暗相間的條紋。從波的角度出發，這很好理解，但是如果我們只讓一個粒子穿過，會發生什麼呢？當只有一個粒子穿過時，這個可憐的粒子會怎樣呢，它會落在哪裏？
情況似乎是這樣的：當一個粒子落在了某處，你發射第二個粒子，它也會落在某處。如果你發射了成千上萬個粒子，這些粒子將會飛過縫隙，產生成千上萬個落點——最後你會看到明暗相間的條紋。然而，只要你關閉其中任一條縫隙，這些條紋都將會消失。也就是說，基本上每個穿過縫隙的光子都知道這兩個縫隙是打開的還是關閉的。
這時愛因斯坦會說：「光子本來就必須穿過這兩個縫隙之一，不是嗎？這有什麼意義，只是換個方式表述了而已。」這是愛因斯坦1909年所說的。他認為，一個光子只能從這裏或者那裏穿過，所以條紋只會在很多光子同時穿過時出現。它們相遇，互相交流信息，知道哪條縫隙是打開、哪條是關閉的，從而它們可以重新設置自身的「性質」。
現在已經有很多實驗可以一次只讓一個粒子通過。那麼，答案是什麼呢？目前的觀點是，一個粒子可能經過宇宙中的任意一條路徑，要想觀測到明暗相間的幹涉現象，這只有在沒有路徑信息的時候才能做到。這就是信息所扮演的角色。很重要的一點是，問題的關鍵不在於你是否一直盯著粒子看，而是你是否得到了粒子行走路徑的信息。
雙縫幹涉實驗通常使用光子進行實驗，不過原則上講，沒道理大的粒子就不會發生幹涉。但這對於實驗學家來說，是一項巨大的挑戰。我們在國際上率先開展了中子、原子、大分子的量子幹涉實驗。
再提一個很有名的概念——「薛定諤貓」疊加態，我們不討論很多細節。有人說這只貓是死或生的，這是一個錯誤的說法，應當說它是處在死和生的疊加態。那麼，我們能在多大的系統裏觀測到這樣的疊加態呢？它對系統的尺度有沒有限制？這成為實驗上的挑戰。甚至，我們能在生命系統中觀測到疊加態嗎？我的答案是，可以！當然，在生命系統中，很多相關的領域都還是空白。
還有一個相關的概念——隨機性，這是一個有爭議的概念。假設我們有一個非常弱的光源，發出的光通過一個玻璃片。這個玻璃片是一面鏡子，卻不是一面很好的鏡子，它會反射一半的光，然後讓另外一半透過去。想象你站在商店的櫥窗前，你能看到店裏的東西，也能看到自己，它就是這樣的一面鏡子。
那麼，大家都來思考一下：如果單個的光子或單個的其他粒子來到鏡子上，會發生什麼呢？這個粒子會做什麼？它會穿過去還是被反射？量子物理告訴我們，它不可再分，所以它必須做一個決定。兩邊都有一個探測器，當這個光子被反射了，我們稱這件事為「0」，當它穿過去了，我們稱之為「1」。
當然，剛才描述它的方式是錯誤的，因為這個粒子並不是去這裏或者去那裏——它是以兩條路徑的疊加態形式傳播，就像在雙縫實驗中那樣。它並不知道自己在哪，沒人知道它在哪。但是當你在路徑上放了探測器，某個時刻，粒子「啪」的一下撞擊了其中一個探測器，這時候，這個粒子的疊加態就塌縮到了這裏，也就再也不會出現在另一個探測器上了。在1927年，這樣的事情讓愛因斯坦感到非常困惑。
另外，這個實驗除了作為一個有趣的現象，還可以為你提供一串隨機數。當你一個接一個去做很多次這樣的測量，你會得到一串隨機數。這也是潘建偉教授團隊所從事的一個重要工作。
現在的問題是，我們能否從原則上解釋：為什麼在這種情況下光子會被反射，而在另外一種情況下光子會穿過去？量子力學並沒有給我們解釋。或許不是所有人都同意，但我個人的詮釋是，這是一種新的隨機性，一種在經典圖像下不存在的隨機性。這一隨機性不是由於我們沒有足夠的信息，而是由於這個世界本身就沒有足夠的信息。這是我個人的觀點，也是海森堡和玻爾等人的觀點。但愛因斯坦不這麼認為，他是不喜歡這個觀點的人之一。他有一句很著名的話：「上帝不擲骰子」。而玻爾回答他「不要教上帝怎麼掌管這個世界」。這個回答很棒，我想這個世界上唯一敢於教上帝怎麼掌管世界的人就是愛因斯坦了。
當一個粒子或其他物體處在兩個概率事件的疊加態時，我們稱其為量子比特（qubit）。一個簡單的開關，只有開或關兩個狀態（讓它們分別對應「0」、「1」），可以看做是一個比特。如果我們進行打開或關閉的動作，兩個狀態的切換就會立馬實現，而一個量子比特會是兩個狀態的疊加態。問題是你沒辦法去觀測它，在你觀測它的一瞬間，它就會塌縮成開或關。但我們只需要想象一下，這東西是0「和」1。「和」這個字在這裏有了新的含義，它的含義和經典物理中不一樣，它代表著所有你可能測到的態。
量子糾纏
1935年，愛因斯坦和波多爾斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）一起發表了一篇文章，題目是「Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete？」（「量子力學對物理實在的描述能被認為是完備的嗎？」）。這就是著名的EPR文章。在文章中他們提出，如果有兩個粒子，它們相互作用後分開，這樣就會出現對其中一個粒子的測量會影響另一個粒子的情況。愛因斯坦不喜歡這種事情，並且將其稱為「幽靈般的超距作用」。對於這篇文章，《紐約時報》評論道：「愛因斯坦攻擊了量子理論：一位科學家和他的兩個同事發現它不完備」。如果你和愛因斯坦一起發表文章，你就不被稱為「科學家」了，僅僅是個「同事」。
隨後，薛定諤用了一個非常漂亮的詞語來描述這件事。他使用了德語「Verschränkung」，意思是兩個物體關聯了起來。但對應的英文翻譯「Entanglement」表意很糟糕，就像在表示一團亂麻。相比下，德語名字就好多了，它指的是兩個事物之間非常好的關聯，這個關聯可能在未來被用以實現「糾纏的骰子」。我們現在買不到它，也許在未來的50年內可以買到。所謂糾纏的骰子就是指，無論這對骰子相距多遠，如果你扔了一個6，那麼另一個也會是6；如果你扔了一個3，那麼另一個也會是3；以此類推。它們完美同步，但實際上它們之間並沒有連接起來。薛定諤表示這不是我們現在已知的物理，這是新的物理現象。
量子密碼學
現在我們開始討論量子密碼學。量子密碼學有趣的地方是，兩個人用經典的信道來交換信息，然後他們使用量子信道來建立秘鑰。你可以讓竊聽者操作所有的信道，但只要你操作正確，就算是Makarov教授（注：一位著名的量子黑客）來做信道攻擊，你仍然是完全安全的，竊聽者無法獲得任何信息。實現的方法之一就是利用糾纏。
首先，我們生成一對糾纏的光子，比如它們在偏振維度發生糾纏，然後把它們往兩端傳輸。這時，位於兩端的Alice和Bob測量它們的偏振。在每一端，都能測到垂直或水平偏振，也就是0或者1。重點是，如果Alice和Bob在兩端進行同樣方式的偏振測量，那麼兩人的結果就會完美相關：要麼都是0，要麼都是1。
Alice和Bob獲得了兩個隨機數序列，它們是完美關聯的，也就是同時在兩地生成了秘鑰。注意，在這種方式中你不需要傳輸秘鑰，它是由阿圖爾·埃克特（Artur Ekert）最早提出的。你需要做的是，首先對原始數據加密。比如Alice想要發送一張圖片，那麼我們將要發送的圖片和Alice的秘鑰這兩組數據混合成一幅圖，這就是傳輸過程中間的加密圖片。由於采用「一次一密」的加密技術，其他人無從破解這張圖到底是什麼。但是Bob有相同的秘鑰，他可以一個比特、一個比特地將這幅圖解碼出來。
量子隱形傳態
量子隱形傳態（quantum teleportation），這是一種奇特的量子現象，你們或許聽過它。
在科幻作品中，量子隱形傳態大概就是大喊一聲：「Scotty，傳送我」（注：《星際迷航》中的經典台詞）。那你們知道為什麼在電影中會這麼拍嗎？電影中這麼拍是為了節省制作成本！一艘飛船到達地面，你看著它著陸，拍攝這樣的場景是很貴的。但是拍攝一束光把人傳過去的場景就不貴了。
電影中的設定是掃描信息、傳輸信息，然後重組物質。這個設定已經被很多人批評，因為這是不可能實現的。由於量子力學原理，如果你只有一個系統，我們是無法獲得系統的所有信息的。海森堡，量子力學奠基人之一，說「不可能完全測量出系統狀態的全部信息」。所以電影制作人私下裏發明了「海森堡補償」的概念，當然這實際上並不存在。
正如海森堡所說，你無法完整的測量出要傳輸的初態的信息，而量子隱形傳態妙就妙在：你並不測量要傳輸的初態，你僅僅只是利用了糾纏。借助量子糾纏，我們可以將未知的量子態傳輸到遙遠的地點。1997年，我和同事首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，實驗非常成功。潘建偉也是這一個實驗的重要參與者之一。
在最初的實驗中，我們所實現的傳輸距離很短。後來，我們又完成了跨越多瑙河的量子隱形傳態實驗，以及非洲加那利群島之間的遠距離糾纏和隱形傳態實驗。島嶼之間的距離是百公里左右，在很長時間內這都是糾纏分發的最長紀錄。現在很顯然，它被「墨子號」量子衛星打敗了。
墨子是中國古代的一位哲學家，他是第一個證明光沿直線傳播的人。你可能會說，這不是很顯然的嗎？但它是需要證明的。「墨子號」量子衛星的命名就是為了紀念他。通過「墨子號」量子衛星，科學家們不僅實現了千公里級的糾纏分發和量子隱形傳態，還實現了第一個洲際量子通信實驗。
未來可以做什麼
中國在遠距離量子通信領域已經領先於世界。通過「墨子號」量子衛星以及上海和北京之間的量子「京滬幹線」，他們在千公里級距離上實現了糾纏分發和量子通信。全球性量子網絡的遠景也很令人振奮：地面上，我們有局域網，通過空氣和光纖來傳播光子；然後建立地面和量子衛星的聯系，從而把信號傳到世界上任何一個地方。我們也想在歐洲建立一個量子網絡，不過尺度比中國的要小得多。
我相信，我們會為未來的發展感到震驚。
（整理、節選自作者2019年在「墨子沙龍」的演講）
