實驗精神終將勝利：量子糾纏的祛魅七十年

10月4日，2022年諾貝爾物理學獎公佈。獎項頒發給了法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子資訊科學”方面所做出的貢獻。

訊息一出，“量子糾纏”一度登上了熱搜首位。隨即，我們看到艱深的物理話題引發熱烈討論。媒體想了千奇百怪的比喻來科普量子糾纏多麼奇妙;段子手們說諾貝爾也“遇事不決量子力學”;各路高人感嘆科學的盡頭是玄學，並對人生、宇宙、未來發出長篇大論的感慨。

這些內容看多了之後，似乎我們會有這樣一個感覺：諾貝爾物理學獎，是頒給了某項特別神秘、宏大、不可思議的發現。量子糾纏的下一步，就是時空穿越、心靈感應、四維空間。

被神秘和遙遠吸引，是人類的本性。但大家在暢想量子糾纏的“詩與遠方”時，可能忽略了另一個問題：這次諾貝爾獎的三位得主，並不是量子糾纏現象的發現者，甚至他們的工作領域並不是理論物理。

與量子糾纏這個概念所帶有的神秘與超現實氛圍不同，三位諾獎得主的主要工作方向是務實、嚴謹的實驗物理。也就是在數十年間一次次的實驗中，人類對量子糾纏的認知，有了緩慢但真實的推進，量子資訊科學這樣一個全新應用方向才得以開啟。

祛魅，是指科學知識中神秘性、神聖性和魅惑力的消解。這個詞用來形容人類對量子糾纏的認知歷史非常合適。在聽多了量子糾纏有多麼神奇、多麼偉大之後，我們不妨從另一個簡樸至極的角度——做實驗，來重新回溯這段歷史。

這段歷史講的不是科學的盡頭是玄學，而是科學終將解釋更多，是實驗精神終將勝利。

爭論起源：微觀世界與EPR佯謬

今天我們隨處能看到很多關於量子世界、時間與空間的高談闊論。但這其實並不新鮮，100年前大體也是如此。早在19世紀末，伴隨著經典物理學得到了極大的發展，無論是學界還是社會輿論，都開始將目光望向微觀系統。20世紀初，量子力學的理論解釋工作開始推動。伴隨著來自全球的關注，這個領域的爭議與討論也開始豐富了起來。

量子糾纏的概念爭議，就來自被稱為世紀之爭的量子物理辯論。所謂量子糾纏，是一種微觀世界中奇特的量子力學現象。處於糾纏狀態的兩個量子，不論相隔多遠都會存在某種關聯性。這個顯然違反經典物理學的設想，其實是來自一種悖論假說。

1935年，正在與玻爾為代表的哥本哈根學派的愛因斯坦，聯合了羅森、波多爾斯基共同發表了論文《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的?》。後人以三人名字的首字母命名其為“EPR”論文。文章中，愛因斯坦質疑了玻爾等人提出的量子力學設想，認為一個粒子只能在區域性擁有其所有特性並決定所有測量結果。如果量子系統真的具有強關聯態，那麼這種管理關係要麼會以超光速發生，但這顯然違背了相對論;要麼當時的量子力學設想具有某種不完備性，缺少前置條件。這個悖論被稱為“EPR佯謬”。

由於EPR佯謬是以思想實驗的方式提出的。於是玻爾在進行回擊時，也主要抓住了思想實驗的實驗條件不充分、觀測手段與觀察方法有謬誤等方向進行。這裡我們無意也沒有能力對物理學命題進行深入探討。但可以發現的是，最初對量子糾纏是否為悖論的討論，就集中在實驗是否可行，以及實驗的前提條件、觀測手段等等。量子力學的世紀論戰，並不是很多人想象的華山論劍，珍瓏棋局，而是發起於實驗，聚焦於實驗條件是否成立，實驗結果是否可信任，實驗過程是否可重複。

“做個實驗”——也成為接下來數十年量子糾纏探索的真正主題。

實驗檢索：光子糾纏與證偽貝爾不等式

為了在實驗中探索量子糾纏是否可行，物理學界需要兩項最重要的基礎：實驗介質與實驗標準。

在用什麼可以證明量子糾纏這一點上，物理學家約翰·惠勒在1946年找到了辦法：用光。

光是一種具有振動方向的波動傳導。自然界的光往往是光線隨機混合在一起的，但如果透過某種實驗手段，讓光的振動方向被限制，成為只沿著一種方向振動的偏振光，就可以對光的振動進行觀測。光子糾纏易操作，易觀察，實驗結果受其他因素干擾較少，成了此後對量子糾纏效應的主要實驗手段。約翰·惠勒認為，按照量子力學的理論框架，正負電子對湮滅後生成的一對光子應該具有不同的偏振方向。1950年，著名華裔女科學家吳健雄宣佈成功實現了光子糾纏實驗，生成了歷史上第一對偏振方向相反的糾纏光子。從那時起，關於量子糾纏的實驗探索正式啟動，到如今已經經歷了70年歲月。

有了實驗方法，下一個問題是實驗標準。究竟如何確定量子糾纏效應是否真的能夠跨越距離限制?這裡就要提到1964年英國物理學家約翰·貝爾提出了以他名字命名的數學不等式——貝爾不等式。貝爾提出，如果存在隱藏變數，大量測量結果之間的相關性將永遠不會超過某個值。如何量子糾纏的真實情況符合量子力學的理論預測，那麼實驗結果將違反貝爾不等式，從而導致超過不等式預設，粒子之間展現出更強的相關性。

從這裡開始，2022年物理諾貝爾獎得主們走到了舞臺中央。

1972年，約翰·克勞澤發展了貝爾不等式的想法，進行了實際的量子糾纏實驗。實驗透過一次發射兩個糾纏光子，每個光子射向檢測偏振的濾光片，以此來觀察產生的光子糾纏情況。而實驗結果違反了貝爾不等式，與量子糾纏的設想一致。

但在當時，這種實驗引發了很多質疑，甚至被指出了很多漏洞。比如實驗在製備和捕獲粒子方面效率太低、測量方式存在問題、糾纏粒子之間距離太小等等，其結果並不具備說服力。儘管面對著諸多挑戰，但克勞澤教授一直堅持著光子糾纏的實驗方向，並進行了源源不斷地實驗改進，最終證明了量子糾纏的超遠距離干涉確實存在。

除了約翰·克勞澤之外，其他人也在積極探索證偽貝爾不等式的實驗。1982年，另一位諾獎得主阿蘭·阿斯佩等人改進並完善了克勞澤的實驗方法。在糾纏粒子離開發射源後，透過切換測量設定的方式來確保製備粒子的方法不會影響實驗結果。

1998年，第三位諾獎得主安東·蔡林格等人在奧地利因斯布魯克大學完成貝爾定理實驗。透過多粒子糾纏態的實驗，徹底排除了定域性漏洞，以決定性的實驗結果證明了量子糾纏真實存在。同時，蔡林格團隊的多粒子實驗可開創了量子通訊與密碼學的諸多可能性。1997年，其團隊完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，為量子資訊學奠定了基礎。2015年，安東·蔡林格團隊又完成了無漏洞的貝爾不等式實驗驗證。

在50年間，一次次的實驗跋涉，最終證明所有結果都證偽貝爾不等式，支援量子力學對微觀世界的法則設想。

至此我們才知道，量子糾纏是真實存在的。

持續探索：進入新世紀的大型實驗

有了基礎方法與基礎結論，量子糾纏的科學價值也就愈發明晰。科學界的好奇開始由量子糾纏是否存在，轉向了我們能否控制量子糾纏，以及能否透過量子糾纏窺探充滿未知的微觀世界。這個過程中，不斷輸出的量子糾纏實驗成果，也像很多科學發展一樣“沿途下蛋”，開啟了量子資訊學這個應用學科的發展空間。

在這個過程中，鐳射的發展和應用成了探索光子糾纏的主要路徑，這也是我們看到很多量子實驗裝置都與鐳射緊密相連的原因。透過鐳射脈衝，光子糾纏現象可以被更精準、高效地控制和觀察。多粒子糾纏態的研究與探索成了學界主流，造價昂貴、高度精密的量子實驗裝置也登上了歷史舞臺。

隨著量子糾纏實驗的價值愈發明晰，其帶來的量子資訊學價值產出更加充沛，同時實驗成本不斷增大。量子糾纏開始成為國家科技競爭的焦點，以及科技戰略的重點傾斜方向。最近幾天，大量媒體都在討論中國在量子糾纏領域研究處於世界第一方陣，其價值與意義也在於此。

2012年，著名的潘建偉小組首次實現了八光子糾纏，併成功將該技術應用於拓撲量子糾錯和百公里量子隱形傳態實驗。2010年，美國加州理工學院研究團隊實現了4個量子介面之間的糾纏。之後清華大學段路明團隊透過光束復分技術，在實驗中實現了25個量子介面之間的量子糾纏。至此，量子加密、量子網路等量子資訊學成果開始步入新的發展階段。

2017年，潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛星完成了全新的量子通訊進行試驗，實現了在在1200公里的通訊距離，以衛星量子誘騙態光源平均每秒傳送4000萬個訊號光子，極大豐富了量子通訊的實驗手段，併為量子通訊走向應用奠定了新的基礎。

在光子糾偏之外，以超導微波來誘發量子糾偏，是另一種目前階段的主要實驗思路。也是通用型量子計算機的主要探索方向。2018年，芬蘭阿爾託大學教授麥卡·習嵐帕團隊對兩個獨自振動的鼓膜進行了量子糾纏，兩個鼓膜持續進行了30分鐘左右的互動。

對於量子糾纏的實驗從未止步，就在今年8月《自然》雜誌還發布了德國團隊實現14個光子有效糾纏的研究成果。

量子並不代表著神秘莫測的未知。只有實驗，更精密、豐富、多元的實驗，才能讓量子糾纏從神壇走下，來到人間。

應用黎明：從量子糾纏到量子通訊、量子計算

距離第一次光子糾偏實驗，已經過去了七十年。雖然在大眾輿論範疇中，我們依舊有太多關於量子力學的祛魅工作要完成，畢竟今天的量子就像曾經的電能一樣，有很多東西對大眾來說是反常識的，但在產學銜接的埠，量子糾纏的數十年實驗探索已經產出了應用成果。其中最為大眾熟悉的就是量子通訊與量子計算。

一方面，這些技術應用了量子糾纏本身的併發特性來實現目標。比如目前的量子通訊，主要是透過量子加密的方式來提升資訊保安水平，但也有一些量子資訊科學成果，與量子糾纏的實驗程式密不可分。比如光量子計算機，就充分應用了鐳射導致光子糾偏的實驗現象。目前IBM、谷歌等公司探索的通用量子計算機，也與量子糾纏實驗中的超導傳遞、絕對低溫環境等發現緊密相關。

在今天，我們已經在量子糾纏理論得到確認，量子糾纏實驗不斷髮展的幫助下，看到了量子應用的一點點曙光。儘管這種曙光依舊遙遠，但可以肯定的是一旦達到某種臨界點，量子資訊學將對目前的資訊科學產生不可逆轉的巨大影響。

當然，利用量子糾纏無視距離界限傳遞資訊的“真·量子通訊”尚且遙遠。目前開始探索應用的量子通訊主要是資訊加密與解密手段。而更加飽受期待的量子計算，還依舊無法擺脫計算任務有限、對溫度等環境要求苛刻、造價巨大等限制。在過去的內容中，我們說過一個有趣的現象：每一到兩年，就會有公司站出來說我們實現了量子計算機超越經典計算機的“量子霸權”。但每次所謂的量子霸權，都難以自圓其說，無法取得業界共認。

不管怎麼說，量子糾纏已經有一條支脈從實驗室裡走出來，走向了充滿更多挑戰的產業世界。大環境下的量子計算機發展，建設大型量子計算裝置，已經成為科技巨頭的兵家必爭之地，甚至國家科技競賽的關鍵。同時量子加密、量子模擬、量子深度學習等產業不斷髮展，正在為量子與現實世界之間的“糾纏”帶來更多機遇，吸引更多人才。

我們曾經採訪過許多量子科學與量子計算領域的老師，他們普遍認為，量子科學在今天需要更多科普，需要號召更多年輕人加入這個學科。

一方面，輿論反覆渲染量子科學的“高深莫測”，甚至汙名化搞出量子鞋墊、量子速讀，會令很多學生對量子學科產生擔憂與畏懼，不看好其就業前景，從而導致學科的人才流失。另一方面，社會中的各種大師，社交媒體上的各路大神，不遺餘力發表著各種各樣的“量子高論”，其實都與量子科學沒有任何關係。這很容易讓一個剛剛產生火花的方向，蒙上太多不必要的陰霾。

如果大家真的關注量子糾纏，那不妨多讀一些科普內容，關注各大科研機構、科技企業的量子技術佈局。千萬不要受到諾獎新聞影響，去很多“量子XX”貼吧讀一些民間高手的奇談怪論。那些東西過於離譜。

不是什麼東西都要落到玄學，時空，佛性，四維空間，多元宇宙上去。科學世界也沒有“遇事不決，量子力學”。量子糾纏的探索，反而是實驗精神的勝利，是人類用理性戰勝未知的勝利。

坐而玄談是一種快樂，甚至是人的本性。但這最多能豐富一下業餘生活，結交三五知己。真正推動科學進步的，是實驗精神與專業分工，是數十年如一日的艱苦探索，是不斷提出證偽，找尋漏洞，擴充手段，夯實結論。

實驗精神終將勝利，我們終將像面對電能、計算機一樣面對量子世界。抵達終極的辦法只有一個，就是讓終極成為旅途的一部分。