量子糾纏和第二次量子革命：一場偉大的觀念革命

來源：2016-11-15 戰略前沿技術

採訪：賽先生，翻譯：秋水

我們正在經歷一場足以和「牛頓革命」、「達爾文革命」相提並論的觀念革命嗎？在量子光學、量子信息、量子通訊，以及量子物理基礎等領域卓有建樹的瑞士物理學家尼古拉·吉桑是這樣認為的。從「貝爾遊戲」到自由意志，他的科普著作《跨越時空的骰子》討論了一連串迷人的話題，試圖帶領大眾深入到這場「量子信息革命」的核心。在該書中譯本發行之際，《賽先生》採訪了這位知名物理學家，請他和中國讀者分享他對這場革命的獨到見解。

您用「一見鍾情」來形容您了解到貝爾定理 (Bell』s theorem) 時的感受。和我們談談這個美妙的瞬間吧。貝爾定理何以深深震撼了您呢？

尼古拉·吉桑：那時我還是個學生，在南印度度假。當地賓館的池子邊長滿了美麗的睡蓮，我喝著茶，讀著克勞澤和奚模尼 (Clauser & Shimony) 的評論文章。貝爾的論證徹底震撼了我。它很容易理解，我本能地覺得貝爾不等式 (Bell』s inequality) 一定是成立的……儘管實驗證據正好相反。那一天，我找到了我學術生涯的主題。

第一次量子革命起始於20世紀初。20世紀60年代，物理學家們開始追問在第一次量子革命中被擱置了的問題，從而啟動了持續至今的第二次量子革命。作為主要參與者之一，請您和我們分享一下這場新革命的歷史，以及當前的新發展、新理論吧。眼前這場量子革命會將我們帶向何方？

尼古拉·吉桑：我同意第一次量子革命發生在20世紀20年代。然而，第二次量子革命直到90年代才開始，中間是所謂的「黑暗時代」，幾乎每個物理學家都宣稱「玻爾 (Niels Bohr) 早就解決了這個問題」，「閉上嘴，好好算」。當然了，還是有一些「反抗者」。我也是其中之一，儘管那時候我對量子物理基礎的研究只在夜裡進行。我認為第二次量子革命始於阿瑟·厄克特 (Artur Ekert) 發表在《物理評論快訊》 (Physical Review Letters，主要物理學期刊之一）的文章，揭示了EPR佯謬 (EPR paradox) 和貝爾非局域性關聯在密碼學中的用處。一記當頭棒喝：彼時幾乎所有物理學家都相信諸如EPR、貝爾此類都是些空洞虛妄的概念。但空洞的概念怎麼可能有用呢？緊接而來的就是量子隱形傳態、高效分解大數的秀爾演算法 (Shor』s algorithm) ，還有量子誤差校正碼的發現。一場真正的革命在量子物理學中發生了。最初的幾場會議，特別是都靈會議，只有幾十個人參與。但他們改變了世界。

薛定諤 (Erwin Schr?dinger) 第一個意識到，量子糾纏 (quantum entanglement) 不僅是量子力學的眾多特徵之一，更是一個標誌性的特徵。關於量子糾纏在量子力學中的地位，談一下您的理解吧？此外，是什麼事實迫使物理學家接受這一奇特的概念？它又有哪些應用呢？

尼古拉·吉桑：薛定諤，以及另外一些物理學家，早在20世紀30年代就已注意到糾纏是量子物理的標誌性特徵。然而，玻爾擱置了它，因此將量子資訊理論推遲了數十年。現在沒有人會低估糾纏的核心地位了。它確實是將量子物理和經典物理區分開來的一點。高效的量子信息處理之所以成為可能，都應該歸功於量子糾纏。當前，如果一個物理學家希望證明他能在量子自由度的層面上控制某個系統，他將致力於違反某些貝爾不等式。至少，違反某些糾纏目擊者(entanglement witness，一種數學判則，非糾纏態將給出大於0的結果——譯者注)，以證明糾纏的存在。我為本書取的第一個名字是《迷人的糾纏》，不過編輯是對的：對於一本科普書籍來說，這個標題太抽象了。

您滿意目前人們描述量子糾纏的方式嗎？有哪些課題您認為值得新一代物理學家去深入探究？

尼古拉·吉桑：我很高興，這一代物理學家終於理解了糾纏的中心地位（儘管高能物理學家似乎慢上一拍，還沒有將這種革命性的觀念結合到他們的思考方式中去）。不過，還有很多問題留待年輕的物理學家去解決。量子網路中的量子相關性就是一個典型的例子。另一個深刻問題的例子是：「既然自然是非局域的，為什麼它不比量子非局域性更非局域一點呢？」還有一類問題，是搞明白量子計算機能做什麼，不能做什麼，以及為什麼?

「非局域性」 (nonlocality) 是這本書的核心概念。非局域關聯與量子糾纏是什麼關係？存在超越量子物理允許的非局域關聯嗎？在這個領域，有哪些理論和實驗上的研究工作？

尼古拉·吉桑：很好的問題，也很難。根據量子理論，不存在糾纏的話，也就不存在非局域關聯。可能有某種未知的物理理論，允許在沒有糾纏的情況下建立某種非局域的相關性，但還沒有被發現：我們已到了當前科學知識的邊界。可以這樣理解：非局域關聯標誌著有用的糾纏——不僅僅是糾纏，而且強到足以拿來應用。不過，非局域相關性與糾纏之間的精確關係確實還未被完全理解。我們需要在理論上和實驗上做更多工作。

牛頓理論中的「非局域性」和量子理論中的有什麼本質差別嗎？

尼古拉·吉桑：有兩個主要（且非常重要）的差別。第一，牛頓的非局域性被證明是錯誤的，也就是說，這種非局域性只存在於牛頓的萬有引力理論中，但不存在於自然界。量子非局域性已被證明不僅存在於量子理論中，也存在於自然界。第二，牛頓的非局域性預言不靠任何物理依託來傳輸信息是可能的，在我的書中，我有時稱之為「非物理通訊」。量子非局域性不允許不憑藉物理依託來傳輸信息。

為了拯救對大自然的局域描述，物理學家做了哪些努力呢？

尼古拉·吉桑：相當多!為此我在我的書里寫了整整一章。我個人曾試圖假定存在某種隱藏的影響，甚至是傳播速度比光速還快的隱藏影響。然而在同事們的幫助下，我們能在數學上證明這種假想中的影響會導致無法隱藏的量子相關性，從而違反相對論。直到今天仍有一些人論證說貝爾不等式是無效的，因為自由意志是一種幻覺，實驗者無法自由地選擇實施何種測量。對我來說，這隻證明了這些人深深被量子非局域性困擾。我不把他們的論證當真，因為自由意志的缺乏程度必須被非常精細地調整 (highly fine-tuned) 才能解釋量子相關性。

您對「局域實在性」 (local realism) 的態度是什麼?

尼古拉·吉桑：「局域實在性」這個術語不好，它造成一種錯覺，好像人能在「局域性」和「實在性」之間做選擇一樣。對我來說，這個糟糕的術語只是歷史的偶然：選錯了詞。經貝爾本人更正的、更好的方案是說「局域因果性」。事實上，對貝爾不等式的違反顯示因果性不是局域的。我喜歡說，對貝爾不等式的違反顯示了：存在可以在幾個不同的地點同時展現的隨機事件。我在我的書里也這麼說。

2016年8月26日，中國發射了世界上第一顆量子通訊衛星「墨子」。您對「墨子」號有什麼期待嗎？

尼古拉·吉桑：當然有了！在非實驗室條件下證實存在量子相關性和違背貝爾不等式的現象，我是第一個進行這方面研究的人。由於「墨子」號的升空，很快就能在太空進行類似的實驗了。這個技術真是了不起。此外，「墨子」也展示了中國在高新科技上的投入，這個國家有能力完成真正雄心勃勃的大項目。

您對量子通訊、量子計算機有什麼看法?在不久的將來會走進人們的日常生活嗎？

尼古拉·吉桑：電磁學理論創立於19世紀，它深刻影響了20世紀的生活。想像一下沒有電，沒有電腦、智能手機、激光、互聯網和DVD的生活吧——這還只是一小部分。量子物理理論創立於20世紀，類似的，我相信這一發現及其衍生出的科技將深刻影響21世紀的生活。

在本書中，您說「如果生活在牛頓學說盛行的年代，你會想了解當時發生過的一切么？而當今的量子物理給世界帶來的震撼與那時經典力學所引起的震撼是差不多的。現在，我們有機會去體驗這種震撼。」 「身處這場革命而不被其所吸引是很遺憾的，就如我們與達爾文或者牛頓一個年代卻與他們的科學革命擦肩而過一樣。」和我們談談這個特殊時代的偉大性和重要性吧。

尼古拉·吉桑：身處時代之中，要意識到何種觀念革命正在發生可不容易。我確定在牛頓時代，大多數人不知道他們正生活在一場主要的觀念革命之中。事後，人們為這些革命著迷，窮盡一生去研究它們，為它們寫書。今天，一場同樣規模的觀念革命正在發生，而我們有幸活在這個時代。我相信，對這場革命缺乏些許了解，對任何人都將會是遺憾。為此我寫了這本書，幫助大家欣賞這場革命的某些方面。

在本書的前言中，您說：「量子物理時常成為繁瑣的解讀和模糊的哲學論文的主題。為避免這些陷阱，我們將僅僅依賴於常識。」相比其他討論量子力學的科普書籍，這是本書的優點嗎？對科普書籍來說，是告知讀者某些科學結論更重要呢，還是教給他們科學的思考方法？

尼古拉·吉桑：在兩次量子革命之間是量子理論的「黑暗時代」，那時糟糕的「偽量子哲學」實在不少。現在就好多了。在我的書里，我採用了非常實際的做法。我希望能讓讀者在緊跟科學論證時不藉助模糊的類比。這可能有點難，但能讓人獲得一些真正的理解。

您在本書中提到了許多最新的研究，在這本書付印之後（本書的法文本出版於2012年，英文譯本出版於2014年——譯者注），還有值得提及的新結果嗎？

尼古拉·吉桑：是的，在我的書里，我羅列了一些未解決的難題，目的是表明這個領域依然十分活躍。有幾個問題已經被解決了，或者至少有了相當的進展。比如「隱藏影響」的存在性被否定了，儘管還有一個義大利小組仍在進行實驗，試圖找到這些假想中的隱藏影響。此外在多體場景下的非局域性問題已有了顯著的進展。

您領導著一個應用物理小組，同時對量子力學的基礎有著理論上的興趣。這兩個方向對您的研究有什麼影響？

尼古拉·吉桑：它們深深地互相影響。實驗項目，甚至技術發展，都會引發提出理論問題的新方式。舉例來說，我們為量子網路研發量子中繼器 (quantum repeater) ，這促使我們提出更尖銳的問題：在此類網路中，什麼是局域關聯(有時也稱為網路局域性 (n-locality) )？

當前您最感興趣的課題有哪些？

尼古拉·吉桑：我喜歡將深刻的抽象問題、激動人心的實驗和有潛在應用價值的技術結合起來。物理學不應該被分成一個個小領域：從純理論到工程應用，物理的魅力在於將這個光譜上的每一條譜線都結合在一起。

尼古拉·吉桑(Nicolas Gisin)

物理學家，日內瓦大學教授，長期從事於量子信息和量子通信的前沿研究，曾獲得約翰·貝爾獎、國際量子通信獎（量子信息領域最高獎）、馬塞爾·伯努瓦獎（瑞士國家最高獎）等。

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