诺奖得主蔡林格：首次量子隐形传态实验的幕后故事

赛

赛先生2024年02月29日约 9 分钟

今晚，北京理工大学教授尹璋琦将对话诺奖得主安东·蔡林格和中国物理学家潘建伟，赛先生视频号全程直播，欢迎预约观看。

编者按：

2022年，奥地利物理学家安东·蔡林格被授予诺贝尔物理学奖，以表彰其“利用纠缠光子进行实验，确立对贝尔不等式的违背并开创量子信息科学”。

在本文中，蔡林格讲述了利用纠缠光子首次实现量子隐形传态实验的幕后故事。他回顾了从提出理论设想、克服技术挑战到最终实现实验成功的历程，并分享了实验背后的科学思考和哲学意味。

安东·蔡林格丨撰文

在查尔斯·贝内特（Charles H. Bennett）及其数名同事于 1993 年第一次提出隐形传态实验之后，又过了四年多，该实验方于 1997 年在因斯布鲁克进行。读者朋友可能会觉得这个时间跨度过长，但考虑到技术方面的挑战，这一时间并不长。当隐形传态被首次提出时，我们都觉得要实现这一点需要花费很多年的时间。然而，不知不觉间，为了实现一个与此完全不同的目的，我们早已经开始研发这一实验所必需的工具了。

实际上，为了进行这一实验，我们必须应对许多全新的挑战。其中包括：弄清什么会是合适的纠缠粒子发射源，判断以光子进行实验是不是最佳方案。之前有关纠缠的实验大多是用光子来做的，然而在理论提议阶段，尚不存在真正合适的发射源。更重要的是，当时没有人知道到底如何进行贝尔态测量，或者说如何通过测量在两个独立光子之间识别一种纠缠态。最关键的是，此前没有人做过超过两个光子或基于任意两个纠缠粒子的实验。此前有人做过多次关于贝尔不等式的不错的实验，但实验中都只用到了两个光子。因此，综合考虑上述挑战，首次隐形传态实验酝酿了四年多的时间，该时间并不长。

对于科学研究者来讲，有时候机缘巧合也至关重要。实际上，对于此类实验，我和我的团队心仪已久。

在隐形传态思想出现之前，我的团队便有意进行三光子及三光子以上的实验。1986 年，当我还在维也纳时，纽约市立大学的丹尼·格林伯格（Daniel Greenberger）与我共事了几个月的时间。当他刚来到维也纳时，我们便开始设想，在这几个月的时间里，我们两人可以合作一个什么好的研究项目，而且我们两人一直在思考，如何才能跳出传统纠缠实验的束缚。我们意识到，所有的实验以及相关的理论，都局限于两个粒子之间的纠缠。那么，为什么不能研究一下多个粒子纠缠的情形呢？实际上，一开始由于不能构思一种产生三粒子纠缠的方法，所以我们首先开启了四粒子纠缠的研究工作。当时我们的设想是，让一个初始粒子衰变为两个粒子，然后让两个粒子再继续衰变为四个粒子。

在研究了关于这四个光子之间关系的理论预测之后，我们大吃了一惊。四个粒子之间关系的数学表达异常复杂，因为其中有非常多的变化的可能。四个光子中，每一个都会面临多种不同的测量情形。实验者不再只是测量两个粒子，而是对四个粒子进行测量，而且这些测量依赖于全部四个粒子的设置。

关于四粒子纠缠态测量的数学结果尽管正确无误，但却异常复杂。因此我与丹尼·格林伯格决定首先专注于一小部分关于完全相关性的理论预测。我们还记得，像孪生子之间一样的完全相关性是约翰·贝尔（John Stewart Bell）思想的出发点，当时他推导出了定域实在论与量子物理学之间的矛盾。量子物理学与这一哲学观点之间的冲突仅出现在量子力学的统计预测中，而定域实在论能够很好地解释完全相关性。从哲学角度来讲，这一点令人欣慰。毕竟，完全相关性属于经典物理学的范畴。也就是说，一旦我们对一个系统的特征有了足够多的了解，那么我们便可以确定地做出预测。从理论上来说，这样一个经典的观点会因为量子力学的统计预测而被打破，这一点并不令人感到意外，因为量子力学毕竟是一个统计学理论。然而，在我们此前早已展开的四粒子纠缠情况中，完全相关性令我们震惊不已！

这一令人震惊之处在于，这些完全相关性是自相矛盾的！

在此之前，我们早已发现，三粒子纠缠将会出现相同的令人吃惊的情况，但我们当时并没有专注于三粒子的情况，因为我们并不知道如何产生三光子纠缠态。这一点将在后文中提到。因此，我们设想一下，假如有一个可以产生三光子纠缠的发射源（见图46）。这种发射源之所以后来我们称之为GHZ发射源，是因为在科学界，这里所说的纠缠类型是以格林伯格、霍恩（Michael Horne）与我本人英文名字的首字母命名的。我们与霍恩当时进行了远程合作，他那时还在美国。这一状态的最基本形式是三个光子沿某一方向水平偏振的叠加（HHH）或垂直偏振的叠加（VVV）。在测量之前，这几个光子不呈现任何偏振。如果用沿这一方向的双信道偏振器测量任意一个光子，它会随机呈现 H 偏振或V 偏振。然后，另外两个光子会在瞬间获得相同的偏振状态。这种情况使得爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”变得更加鬼魅了。

图 46 GHZ 实验的实质。我们来思考三光子纠缠态。每个光子的偏振都可以测量，要点如下：当三个偏振器的方向满足一定条件时，根据两个光子的随机结果，我们可以提前确定第三个光子的偏振情况。例如，如果前两个光子均呈水平偏振，量子力学便会预测第三个光子呈垂直偏振。有意思的是，定域实在论会做出相反的预测——第三个光子一定呈水平偏振。本实验证实了量子力学的预测。因此，与双粒子相关情况相反，量子物理能够做出确定性的预测，而定域实在论甚至没有了立足之处。这便是量子力学和定域实在论两种世界观之间存在的最大可能的冲突。

关于可能在这三个光子上进行的偏振测量，我们可以很容易地设想出许多其他的情形。我们还可以使用偏振分束器或者围绕相关入射光束旋转的双通道偏振器。由此，我们可以沿着任意可能的方向测量垂直偏振和水平偏振。同时，我们还能够对圆偏振进行测量。

对于这三种偏振测量的大多数组合，相关性只是统计学上的。然而对于许多测量来说，会出现完全相关性。这就意味着：对每个光子的测量结果完全是随机的。例如，光子发生水平偏振和发生垂直偏振的概率相等，不管其对应的偏振器处于什么方向。但是，在三个偏振器的方向满足某些条件的前提下，如果我们知道了两个光子的偏振测量值，第三个光子的偏振情况便可以被提前确定。其中一个条件是，两个偏振器的旋转角度之和必须等于第三个偏振器的旋转角度。相较于两个光子的情况，三光子的情况更具有普遍性，因为三个偏振器不再需要互相平行了。

现在，便出现了几个耐人寻味的情形。有几组偏振器的方向说明定域实在论和量子力学之间是完全矛盾的，表现在如下情况中：假设我们知道第一个光子的偏振角度为 H'（从 H 旋转 45 度），第二个光子的偏振角度也为 H'。那么，定域实在论会预测第三个光子同样也发生 H' 角度偏振，而量子力学则预测它将发生 V' 偏振。这是两种世界观之间存在的最大可能的矛盾。量子力学和定域实在论对这种情况都会做出明确的预测，但双方的预测结果却完全相反。量子力学不同于任何定域实在论的思想，即便对于完全相关性，即使针对每个单独的光子都是如此！或者，从另一个角度讲，贝尔的论点甚至无法起步，因为双粒子系统中的完全相关性是贝尔思想的出发点。在有些情形下，量子物理学会促使我们精确地预测实验结果，而定域实在论甚至无法正确地描述这些情形！

自从我与格林伯格和霍恩两人于 1987 年发现了这一矛盾，我的科学目标便是通过实验去验证这些相关性。我和我的团队肩上的责任重大。我们必须开发出用于两个以上粒子间纠缠研究的新实验工具，然后还要弄清楚如何建立这样的纠缠，如何对其进行测量，如何在实验中把控这些状态，等等。

这是一个全新的领域。我们不仅需要开发新的实验工具和元件，而且还必须创立一种关于这类实验的新思想，因为前人从未考虑过超过两个粒子纠缠的实验。就这样，我们花费了11年的时间，直到1998年，德克·鲍米斯特、潘建伟、马修·丹尼尔、哈拉尔德·魏因夫特和我本人在因斯布鲁克的实验室里才对三光子纠缠进行了观测，并最终证实了量子力学的预测。

为了能实现上述目标，我们开发了许多仪器，这些仪器对于量子隐形传态非常重要。我们还得到了来自外部的帮助，也就是我的同事也是朋友——波兰格但斯克大学马雷克·祖科夫斯基的重要支持。我们与他进行了许多次讨论。在讨论中，我们提出了在实验中实现三个及三个以上光子的纠缠态的设想。实际上，我们被迫放弃了许多想法，因为它们大多数都行不通。

但是最终，我们找到了解决方案。

一个问题是，不可能直接产生两个以上光子的纠缠态。我们必须从双光子纠缠开始。然而，我们该如何创建更高阶的光子对纠缠呢？从原理上来讲，我们的设想非常简单。首先产生两组纠缠的光子对，即四个光子。然后，对一个光子进行测量。我们不清楚测量的原理，也不知道这一特定的光子来自哪一组光子对。然后，其余的三个光子也发生了纠缠。对于这一实验，我们又设法开发了许多项其他的技术，比如，影响光子精确计时的方法，运用自发参量下转换产生两组光子对，使用分束器、偏振器及其他仪器识别纠缠态，等等。然而，这些只不过是我们所面临的部分挑战。

在准备实验的过程中，我们很快意识到，我们所开发的仪器还可以用于进行量子隐形传态。最终，隐形传态实验由德克·鲍米斯特、潘建伟、克劳斯·马特尔、曼弗雷德·艾布尔、哈拉尔德·魏因夫特与我本人完成。在第一次实验及随后的其他所有实验中，成功实现隐形传态的标志性证明是：爱丽丝一侧有什么，鲍勃一侧便出现什么。在这一点上，并不需要对每个想象得到的量子态都加以证明，因为这样的量子态有很多种。然而，从另一方面讲，仅对水平偏振和垂直偏振进行证明是远远不够的，因为不可能排除仪器偏爱某一种状态的可能。因此，实验还必须证明水平和垂直叠加的隐形传态，比如旋转 45 度角的线偏振或者一些圆偏振。这是在 1997 年实现的。

在那个实验中，隐形传态的距离仅有大约一米。现在，这一距离已经大大加长了。比如，在多瑙河附近进行的实验中，这一距离为 600 米。首次实验成功之后，我们便将精力转向了纠缠的隐形传态以及前文中提到的三光子纠缠态的实现。