这个领域被忽视了数十年，终获诺奖认可
Adam Levy约 14 分钟量子纠缠：从“神秘诡异”到自然法则的漫长旅途
陈晓雪 ｜ 校译
始于爱因斯坦的争论
亚当·莱维：关于现实的本质，量子物理学告诉了我们什么？远距离的粒子能否相互影响？宇宙是否真的诡异莫测？我是亚当·莱维，这里是Knowable杂志。
这一季我们将研究科学的思想是如何、何时发展起来的。每一集都探讨了一篇文章如何改变我们的思维方式，而在这一集，我们将探讨一篇文章——实际上，是一个短语——它已经陪伴物理学走过了80年——“远距离的诡异作用”（spooky action at a distance）。
这一短语，来源于爱因斯坦，他认为当时正在形成的量子物理学思想中存在一个严重问题，并特别选择了这样的措辞来形容。在这一集中，我们将探讨这一爱因斯坦认为太过神秘而无法接受的内容，以及北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔的工作（参看文章：与爱因斯坦、冯·诺伊曼较劲），他设计了一种方法来对宇宙进行最终的测试，并找出爱因斯坦的怀疑是否有充分的根据。
但在此之前，我们需要谈论一下20世纪初物理学发生的革命。当时，越来越清晰的是，宇宙并不像物理学家做出的经典描述那样运作。
经典物理学用确定性法则描述了诸如光这样的波和电子这样的粒子构成的世界，但这不能描述大量实验所揭示出来的现象。因此，这种经典的宇宙观逐渐被量子力学所取代，后者描述了微观世界的奇特性质。
尼古拉斯·吉辛：起初，（这些奇特性质）实际上就是人们所谓的波粒二象性。
亚当·莱维：这位是尼古拉斯·吉辛，来自日内瓦大学，他的整个职业生涯都致力于研究应用物理和量子物理学，数十年来一直在思考量子物理学在通信方面的应用。
好的，但波粒二象性是什么呢？
尼古拉斯·吉辛：比如，有一个粒子、一个电子或是一个原子，所有这些粒子有时会表现得像一个粒子，就像小的台球一样，但有时行为会像波一样。可以这么说，这些粒子的双重性质实际上是引发了所有量子科学的起点。直到1960年代，甚至可能更晚，它确实是（物理学界）主要关注的焦点。
亚当·莱维：宇宙的基本构建模块既不是波也不是粒子，而是以某种方式同时表现出两种性质，这种观念颠覆了物理学。尽管波粒二象性可能是主要的关注点，但量子物理学的奇怪影响还远不止这些。
量子物理学预测粒子可以发生纠缠。这意味着两个或更多的粒子可以被联系在一起，并在本质上相互关联，以至于即使它们被分开，即使相隔很远，也不再可能独立地描述它们。观察其中一个粒子似乎会影响对另一个粒子的观察。
尼古拉斯·吉辛：纠缠有以下的含义：如果我现在对第一个粒子进行测量或采取某种操作，第二个粒子在某种程度上会受到影响，或者第二个粒子会发生“颤动”。
亚当·莱维：这样的观点挑战了爱因斯坦关于宇宙的核心理念，即信息只能以光速或更慢的速度在宇宙中传播，因此没有物体可以瞬间影响与其分离的物体。但在这里，量子物理学却表明，测量一个纠缠粒子可能会立即对另一个产生影响，或者说“颤动”。
尼古拉斯·吉辛：是的。因此爱因斯坦，就像那个时候的许多人一样，意识到如果你现在在一边进行测量，它会在另一边产生一种影响。其中一个粒子可以在我所在的日内瓦，而另一个粒子可以在我不知道的地方，比如美国某个遥远的地方。然而，这些粒子具有纠缠的性质，以至于你不能分别描述它们。爱因斯坦简直无法相信这一点，因此他得出了纠缠是不可能存在的结论。
亚当·莱维：实际上，爱因斯坦在1947年写信给马克斯·玻恩，他在心中对我们正在讨论的这种非局域现象起了个绰号，即 “远距离的诡异作用”。这个短语至今仍在使用，但在当时，爱因斯坦是独自反对这些想法，还是广大的物理学界真正进行了积极的讨论呢？
尼古拉斯·吉辛：是的。我认为爱因斯坦在很多时候都非常准确和有创意，他提出了诸如“上帝不掷骰子”或者“远距离的诡异作用”等表述。因此，“远距离的诡异作用”确实反映了这样一种想法，即你在日内瓦触摸了粒子，而美国那边的粒子正在颤动。因此存在着某种远距离作用。爱因斯坦说：“这很诡异，它不能是真的。这一定是诡异的作用。”
当时，我想说，令人惊讶的是，物理学家们对此并没有太多关注……那个时候，绝大多数物理学家根本没有关注这些问题和议题。同时，在那个时候，将它转化为实验也是不可能的。有些人甚至认为这纯粹是哲学，没有物理学上的影响。后来我们将看到，这些人完全错了，但那时候这是主流观点。
贝尔不等式的提出：从哲学到物理实验
亚当·莱维：实际上是在爱因斯坦去世后，1964年，约翰·斯图尔特·贝尔提出了一项可能能够解决这个问题的测试。这个我们现在称之为贝尔测试，它的核心是什么？
尼古拉斯·吉辛：现在想象一下，你有两个粒子，它们的纠缠程度是最大的，非常高度的纠缠，出于解释，可以把它们想象成硬币。因此，你可以得到两种可能的结果。如果你抛掷硬币，它可能是正面或反面。现在，如果你在两边以相同的方式抛掷这两枚硬币，它们最终会同时都是正面或同时都是反面。
但也可能有一种不那么神秘的解释。如果在你将它们分开之前，这些粒子就已经制定了一个秘密计划，决定了在抛掷硬币时会显示什么。那么就不会有量子纠缠，只是粒子将它们的计划付诸行动。
尼古拉斯·吉辛：约翰·贝尔的这个天才想法，是稍微改变一下抛掷硬币的方式。我们假设现在一个硬币按照通常的方式抛掷，但另一个硬币抛掷的方式略有不同。
亚当·莱维：换句话说，如果我们以略有不同的方式测量这两个粒子，它们是否仍然会相互一致，打个比方，例如同时都显示正面？
约翰·斯图尔特·贝尔是一位理论粒子物理学家，他在业余时间研究了量子理论，他意识到这些稍微不同的硬币抛掷可能会解决问题，决定粒子真的被纠缠在一起，还是爱因斯坦拒绝了这种量子神秘性的观点是正确的。如果爱因斯坦确实正确，不存在纠缠，而是粒子事先达成了秘密计划，那么物理学家多次重复抛掷硬币实验，两个粒子可以获得相同结果的频率，就会有一个限制，也就是上限。
尼古拉斯·吉辛：而在量子力学中，你可以违反这个限制，所以这个限制就是我们所说的贝尔不等式。
亚当·莱维：所以如果量子物理学是正确的，粒子确实是纠缠在一起，而且确实存在着“远距离的诡异作用”，在重复实验时，你会更经常地看到两个粒子同时显示正面或同时显示反面。
这是因为粒子确实是相互关联的，因此真的能够即时地影响彼此的硬币抛掷实验结果。换句话说，这个贝尔测试是测试哪种想法正确的一种方法：是量子理论关于纠缠的预测，还是爱因斯坦以及他对这种奇特行为的怀疑。
尼古拉斯·吉辛：所以这实际上就是贝尔提出的东西，他将整个讨论转变为了一个潜在的实验。
历经40余年的贝尔测试
亚当·莱维：贝尔实际上并没有进行自己的测试，他只是提出了这个想法。但究竟何人何时真正做了一个实验，可以明显地展示粒子确实以这种诡异的方式纠缠在一起呢？
尼古拉斯·吉辛：是的。约翰·贝尔是理论家，他不知道如何进行实验。我们不得不等待将近10年，到了70年代，才有了第一个实验演示，在进行稍微不同的测量时，测得相同结果的概率更高。这项实验是由约翰·克劳泽完成的。
亚当·莱维：约翰·克劳泽进行贝尔测试的方法，是操控钙原子来产生两个明显纠缠的光子，也就是光粒子。然后，可以通过类似于不同的硬币抛掷方式的方法对这些光子测试。在这种情况下，意味着就要测量光的偏振方向，即光的波动方向。克劳泽可以看到这两个光子产生相同结果的频率。实验的确观察到了贝尔不等式的违背，表明这些光子确实是纠缠的。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。约翰·克劳泽的问题是……实际上，他有两个问题。
首先，美国也有一个人在约翰·克劳泽之后不久做了同样的实验，但他得到了不同的结果。所以显然其中一个是错误的，但你怎么知道哪一个是错的呢？
此外，在70年代，人们仍然认为所有这些都不是严肃的物理学，而约翰·克劳泽实际上从未在任何大学晋升为教授。所以，他的职业生涯实际上因他是第一个进行贝尔测试的人而受到了损害，非常严重的损害。
然后又出现了另一个实验，但那是在80年代。每次实验，你看，都相隔近10年，一个接一个地进行。
第三个实验是由阿兰·阿斯佩及其合作者在法国巴黎进行的。他们进行了一项实验——质量更高、更好，而且耗时更长。他们在某种程度上解决了这个问题，支持量子力学的观点。因此，纠缠无疑是自然界的真实特征，而不仅仅是一种理论。
亚当·莱维：所以这些实验支持了量子力学，不利于爱因斯坦的怀疑。这些实验表明，“远距离的诡异作用”是一种真实的现象。但我了解到这并不是结束，仍然有一些需要解决、通常被称为漏洞的问题。
特别是，有一种观点认为粒子不是立即影响彼此，而是以某种方式事先做出计划，然后以某种方式欺骗测试。物理学家将这种可能的粒子诡计称为局域变量。您能解释一下为了消除这些漏洞、并确定纠缠是自然界的真实特征所做的工作吗？
尼古拉斯·吉辛：阿兰·阿斯佩实验中的主要漏洞是，要进行这个实验，你需要产生这些光子对。
你虽然没有将它们分别发送到日内瓦和美国，但将它们发送到了一个长度约为10米的大型实验室的两端。因此，光子之间相隔10米，然后你需要对它们进行测量。
然而，在实际的实验中，当你进行这些测量时，最常见的结果是你没有得到任何结果，只是因为光子在途中丢失了，或者探测器的效率并不是百分之百，所以探测器经常看不到光子。光子很容易丢失或者无法被检测到。因此，你现在确实可以想象，这些假设的局域变量将决定光子何时被探测到，以及何时不被探测到。即使一切都受到局域变量的指导和驱动，你也可以解释实验结果。
因此，这仍然是需要测试的事情。这个额外的测试实际上直到2015年才出现，距离阿兰·阿斯佩的实验差不多有30年。获得足够好的单光子探测器需要相当长的时间。
偏执的物理学：不断用实验验证
亚当·莱维：这个测试有效地使用了光子和电子的组合，来解决探测的问题，并且可以在超过一公里的纠缠粒子对上进行测量。从那时起，已经有许多其他贝尔测试来封闭其他类型的漏洞，利用了从卫星到电脑游戏等各种手段，来推动该领域的极限。
但是，所有这些对漏洞的检查，难道不是物理学家有点儿偏执，以至于他们认为这些粒子以某种方式串通起来欺骗测试，让我们以为它们表现出诡异的行为吗？
尼古拉斯·吉辛：这确实是一种偏执。然而，贝尔不等式的违背结果意味着量子理论的这一特征不仅仅是理论的一个特征，它是自然界的一个特征。因此，它改变了物理学呈现给我们的世界观。因此这是一个如此重大的改变，是一个概念上的革命，所以关注是有意义的，甚至是关注这个假设的将决定光子何时应该被探测到或不被探测到的局域变量，都是有意义的。
所以我认为真正的深入研究是有意义的，要记住物理学实际上是一门实验科学，仅仅思考理论是不够的，你还必须真正进行实验。所以我认为这样做是很有意义的，但我同意几乎没有人，我认为甚至包括实验物理学家在内，没有人相信他们会证伪量子力学。尽管如此，做这个实验还是有意义的。
一个重要应用：加密密钥
亚当·莱维：现在，这一切都是理论的吗？还是通过这种方式了解量子世界以及如何进行这些实验，已经为更平凡的日常世界带来了任何应用呢？
尼古拉斯·吉辛：确实是这样。当这一探讨从爱因斯坦开始时，某种程度上是纯粹的哲学，然后约翰·贝尔把它转化为了一个可能的实验，约翰·克劳泽进行了第一次实验，阿兰·阿斯佩进行了第一个可以说真正结论性的实验。然后突然在90年代，人们意识到这种非常抽象的思考具有实际的用处，因为如果你总是或几乎总是在两个粒子之间得到相同的结果，并且这个结果是随机的，你就得到了远距离的随机性。而非局域的随机性非常接近于加密密钥。
加密密钥，你可以看作是密码。什么是密码？双方必须是相同的，比如在你和亚马逊或者你的银行之间，或者你想要以机密方式与之交流的任何人之间。而且它必须是随机的。
所以这里我们已经有了密钥。另外，我们目前在物理学中了解的另一点是：根据纠缠理论，如果两个粒子的纠缠程度非常高，那么它们就不能与其他任何东西纠缠在一起。它们不能与第三个粒子纠缠在一起。
于是这也保证了保密性。如果你和银行纠缠在一起，双方都可以获得相同的随机密码。此外你可以确信没有其他人拥有该密码的副本，这正是你想要的。因此，密码学实际在本质上与贝尔不等式的违背非常接近。
但这是一次彻底的革命，我们突然意识到这些奇怪的量子关联、贝尔不等式、局域变量的潜在存在或缺失实际上都是加密密钥。因此，在我们这样一个以信息为基础的社会中，它们非常有用。
诺奖是对量子纠缠实验研究的整体认可
亚当·莱维：所以，2022年诺贝尔物理学奖实际上颁发给了实现贝尔测试的工作。这一荣誉对这项工作的认可有什么重要意义吗？
尼古拉斯·吉辛：嗯，我认为2022年的诺贝尔奖不仅是对三位获奖者（约翰·克劳泽、阿兰·阿斯佩和安东·蔡林格）的认可，也是对这个领域整体的认可，这个领域在过去几十年里一直被忽视。我必须说，诺贝尔委员会犯了一个很大的错误，没有把诺贝尔奖颁发给约翰·贝尔。他本应该获得奖项，但他去世得太早了，换句话说诺贝尔委员会反应过慢了，或者有其他原因。
因此，我个人对这个奖发给他们感到非常高兴，当然它只颁发给了这三个人，但在这三个人之外，它真正认可了一个在很长一段时间内受到严厉批评的领域。最好的例子是约翰·克劳泽，他是第一个进行出色的贝尔测试的人，却从未在任何大学获得职位。大量类似的工作被忽视了，直到50年后他获得了诺贝尔奖。所以这真的很了不起，我不知道科学领域中多少次出现过这种情况，某个领域在很长一段时间内受到如此严重的忽视，真的是数十年。
当我自己开始研究的时候，我想说，除了晚上9点以后，几乎不可能在这个领域工作——因为你无法以此谋生。现在诺贝尔委员会认可了这个领域，这真是太好了。
“远距离的诡异作用”争论已尘埃落定？
亚当·莱维：现在是否可以说是尘埃落定了？我们现在能否确定地说，宇宙真的是诡异的，而且在这些贝尔测试中没有漏洞，也没有共谋的粒子在欺骗我们？
尼古拉斯·吉辛：是的，除了我不会使用“诡异”这个词，我认为这里没有什么诡异的，相反，这是非常非常真实的。我的意思是，现在实验室里都在常规性地进行这项工作，甚至有学生在实验室里做这些练习。所以这是一些非常完善的事情。
亚当·莱维：在过去，我猜是在过去的一百年里，我们对量子行为的理解实际上取得了多大的进展？你怎么看？
尼古拉斯·吉辛：我认为实际上是在过去的30年里，因为对我来说，真正的理解是从了解到这种非局域的量子关联能够自然产生密钥开始的——这是有用的东西。你可以看到这个变化。
最初一切都是关于波粒二象性的，而现在几乎没有人再谈论波粒二象性。人们在谈论纠缠。纠缠才是真正改变量子力学、使其如此特殊的东西。而今天，我认为在这个领域没有一篇论文，没有一本书，没有一次讲座不会提到纠缠。所以纠缠终于被理解为是量子力学的本质。
亚当·莱维：确实，今天，纠缠，这种“远距离的作用”，即爱因斯坦觉得难以想象的东西，正是许多量子技术的核心，无论是新型加密形式，确保您与银行之间的机密和安全通信，还是长期以来致力于构建具有现实应用的量子计算机。直到今天，物理学家和记者们仍然常常将量子纠缠称为量子的诡异特性。
物理学家花了很长时间来思考爱因斯坦对量子物理学的抱怨，甚至花费了更长时间来证明他是错误的，并展示纠缠是我们宇宙运作的一种基本方式，是分离粒子之间某种同步的方式。但如今的物理学家没有浪费任何时间，正在迅速将“远距离的诡异作用”付诸于实践当中。
原文标题“Quantum entanglement’s long journey from ‘spooky’ to law of nature”，作者Adam Levy，2023年7月18日以播客形式发布于 Knowable Magazine。小标题为编者所加。本文封面图来自Flick。
链接：https://knowablemagazine.org/article/physical-world/2023/quantum-entanglement-long-journey-spooky-law-nature
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