陆朝阳：爱因斯坦与玻尔的三次伟大争论
传承辟新的约 8 分钟图源：Pixabay
导读：
2025年是国际量子科学技术年。在量子年的最后一天，中国激光杂志社光学新媒体主办一场线上跨年演讲。演讲者之一，中国科学技术大学陆朝阳教授为我们带来一场关于量子力学的科普报告。以下根据陆朝阳教授的报告内容进行整理，文字略有调整。
陆朝阳 | 演讲
中国激光杂志社 | 来源
100年前，24岁的海森堡为躲避花粉过敏前往小岛度假，在那里提出了矩阵力学——量子力学的第一个表现形式。量子论的诞生给我们带来了半导体、激光器、核磁共振等一系列技术革命。据估算，全世界GDP中与量子相关的产业（包括依赖晶体管的计算机和互联网）约占40%。
尽管量子理论已大规模应用，但其中仍有许多诡异而有趣的现象。量子理论像一个神秘的少女，我们天天与她相见，却始终无法猜透她的内心。科学问题的澄清离不开争论，在量子力学发展中，爱因斯坦与玻尔的三次伟大争论——关于互补性原理、不确定原理和量子纠缠——至今仍被视为经典。
1927年，第五届索尔维会议召开，留下了人类历史上智商密度最高的一张照片。会议上，玻尔的互补性原理引发了爱因斯坦的激烈争论：如果观测量子系统的某一个力学量（比如波动性），就无法同时观测到另一个力学量（比如粒子性）。
图1 1927年第五届索尔维会议合影
在经典世界里，开关要么开、要么关；但在量子世界，系统可以同时处于两种状态的叠加。更神奇的是，一旦进行观测——比如在双缝干涉实验中探测粒子从哪条路径通过——干涉现象就会消失，回归经典的粒子行为。
爱因斯坦对此提出挑战：能否设计一个极其精巧的实验，对粒子的干扰微乎其微，从而同时获取路径信息并保留干涉条纹？爱因斯坦设想用极其灵敏的弹簧悬挂狭缝，使其能感知单个光子的动量反冲。然而，可见光单光子的动量约为10-27kg·m/s，比一只蝴蝶拍一次翅膀产生的动量小10000000000000000000倍，这个天才设想在当时的技术条件下根本无法实现。
图2 单光子单原子量子干涉仪实现爱因斯坦思想实验
为实现爱因斯坦的设想，我们思考能否用原子——物质的最小组成单位来制造最轻的狭缝。通过利用激光冷却技术（1997年诺贝尔奖成果），用六束对打的激光将原子热运动速度从500-1000 m/s 降至近乎静止；再用光镊技术（2018年诺贝尔奖成果）捕获单个原子，用边带拉曼冷却将其冷却至运动基态。
此时系统满足海森堡不确定性原理：位置不确定度与动量不确定度的乘积约等于普朗克常数的一半。通过调节光镊强度，可以改变原子动量波函数的“胖瘦”——激光越强，原子被束缚得越紧，位置不确定度越小，动量不确定度就越大。实验结果表明：在量子极限下，当动量不确定度大（量子的胖）时，即使光子对原子产生了反冲，仍能保留部分干涉条纹。而如果是经典噪声引入的“虚胖”，干涉条纹会消失。这不仅验证了玻尔是正确的，而且指出了量子与经典行为的本质区别。
1926年，薛定谔推导出波动力学，但他对自己的方程并不满意——方程第一个字母就是虚数单位i。他在给洛伦兹的信中写道：“我对这里使用负数感到很不高兴。”杨振宁先生也曾提出类似问题：为什么量子力学必须用到复数？
我们团队利用量子计算平台，提供了检验虚数物理实在性的全新视角。通过量子线路模型，分别给出经典物理、实数量子力学和复数量子力学能够达到的理论上限：经典物理为6，实数量子力学为7.66，复数量子力学为8.5。实验结果超越了实数量子力学的极限值，证明复数在量子世界中具有物理意义，是物理实在的存在。该项工作入选美国物理学会2022年国际物理学十大进展。
1930年的第六届索尔维会议上，爱因斯坦提出了“光子盒”思想实验，试图挑战不确定原理。虽然玻尔最终用广义相对论反驳了这一挑战，但“光子盒”的概念如今已在实验中广泛应用。
通过微腔技术构建弱耦合的“光子盒”，可以产生高效率的单光子源。我们团队的最新成果实现了71%的系统效率（从产生到探测），是国际最高水平，超过了光学量子计算所需的容错阈值，该成果入选美国光学学会年度重要进展（“Optics in 2025”）。
图3 完全可调谐开放式空腔装置中的量子点设计
利用超导腔内微波“单光子盒”的强非简谐性，第一个光子进入后会改变能级结构，阻止第二个同频光子进入——形成光子间的有效“排斥”。结合人工规范场（几何相位），可以人工构造分数量子反常霍尔态——这种强关联体系最早由华人科学家崔琦在实验中发现并获得诺贝尔奖。未来有望实现非阿贝尔分数量子霍尔效应，为拓扑量子计算奠定物理基础。
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了著名的EPR论文，质疑量子力学对物理实在描述的完备性，特别是量子纠缠现象的非定域性。爱因斯坦坚信自然界最不可理解的是它居然可以被理解。他认为确定初始状态后，物理系统的未来应该可以精确预测，因此必定存在“隐变量”——一个隐藏的boss在操纵着世界。
为探寻这个问题，物理学家发展了大量量子操控技术，如今量子计算已从小规模演示进入国际竞争的工程样机阶段。90年前的先哲们，恐怕很难预测这会成为中美科技博弈的焦点，英伟达、谷歌、IBM、微软、英特尔纷纷投入这一领域。
图4 “九章”量子计算原型机光路系统原理图
量子计算研究的关键转折是“走出灰色区域”——之前所有的量子计算实验理论上都可以被经典计算机模拟；现在我们可以展示经典计算机无法匹敌的量子算力。2019年，谷歌团队发布53比特超导量子芯片，宣称用200秒完成超级计算机需要1万年的任务，引发全球轰动。
同期，我们团队在光量子计算路线上也达到了量子计算优越性的里程碑。“九章”光量子计算原型机采用自主研制的激光系统、50个单模量子压缩态，经过100×100模式的光学线路进行干涉。此后，“九章二号”使用射频辐射的量子光完成更大规模的玻色采样实验，入选2021年国际物理学十大进展。最新的“九章四号”通过时空混合编码技术，实现了3000多个光子的操控。
当前量子计算的最大挑战不是比特数量，而是质量。如果双比特逻辑门精度为99.4%，经过50个比特和20个门后，正确率将降到0.2%。真正破解加密算法需要百万次计算，必须依靠量子纠错技术。
图5 薛定谔猫思想实验的原子阵列
除光量子计算外，团队还扩展到中性原子量子计算领域。传统方法形成无缺陷原子阵列需要线性时间——原子越多，排列时间越长。团队利用人工智能技术实现了高度的并行性以及与阵列规模无关的常数时间消耗，在60毫秒内成功构建了多达2024个原子的无缺陷二维和三维原子阵列，创造了中性原子体系无缺陷原子阵列规模的世界纪录。该系统单比特门保真度达99.97%，双比特门保真度达99.84%，探测保真度达99.92%，关键指标达到国际领先水平，为构建基于中性原子阵列的容错通用量子计算机奠定了技术基础。该项工作入选美国物理学会2025年国际物理学十大进展。
回望百年前爱因斯坦与玻尔的三次伟大争论，科学在审视和检讨自己的过程中获得了永恒的力量。量子计算从曾经被认为“太阳燃尽也做不出来”的空想，到如今已越来越近。1995年，顶级专家认为这是天方夜谭；后来有人说至少100年内不可能实现；而近年来谷歌、Quantinuum、哈佛、QuEra等在量子纠错方面的飞速进步，不断超出预期。如果过去十年是科学推动量子计算（Science for Quantum Computing），那么我们现在站在真正的转折点上——量子计算将开始推动科学发展（Quantum Computing for Scientific Discovery）。
Q1：原子纠缠有距离限制吗？
陆朝阳教授：产生纠缠时需要原子靠近（2-4μm），将中性原子激发到里德堡态形成电偶极子产生相互作用。纠缠形成后，可以用光镊移动到更远距离，也可以通过光学信道和纠缠交换让遥远的，例如相距100公里的原子形成纠缠。
Q2：量子技术能产生真随机数吗？
陆朝阳：太能了。2022年诺贝尔物理学奖的工作证明了量子非定域性，否定了爱因斯坦设想的“隐藏boss”的存在。打开薛定谔猫盒子时的随机性是本质性的，即使上帝也无法预测。中国和美国NIST分别在Nature发表了基于无漏洞贝尔实验的设备无关量子随机数产生工作。
Q3：继反冲狭缝实验后，下一个最值得实证的思想实验是什么？
陆朝阳：大规模可容错量子计算的实现。这不仅是诺贝尔奖级的成果，还将成为探索物理世界的新工具，并对信息安全和金融系统产生深远影响。量子计算的到来预期正在不断提前——从被认为不可能，到现在各方面飞速进步，已经越来越近了。
Q4：量子计算能否加速人工智能？
陆朝阳：这是一个需要澄清的误区。目前，很多初创公司为了融资和销售，声称量子计算可以满足AI的算力需求并降低能耗——这是彻头彻尾的谎言。根据人类目前已知的知识，量子计算能够实现指数加速的算法非常有限（主要是Shor算法和量子体系的模拟），无法给人工智能的各种主流算法带来加速。
注：本次演讲由南京理工大学左超教授主持，北京鼎信优威光子科技有限公司特别支持，并联合中国知网共同在线直播，得到了光学及交叉学科领域众多观众的关注与支持，近万人收看了本次直播并参与互动。
原文发表于公众号“中国激光杂志社”，原标题为“跨年演讲 | 从爱因斯坦-玻尔争论到量子计算”，“赛先生”获权转发。
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