量子纠缠让我的脑容量超容了

　　北京时间10月4日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布， 将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家 阿兰·阿斯佩（Alain Aspect） 、美国理论和实验物理学家 约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）  和奥地利科学家 安东·塞林格（Anton Zeilinger） ，以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。
　　量子信息科学，一听就属于那种知识划过大脑，却不会留下一点痕迹的名词概念，很有一种挥一挥衣袖，不带走一片云彩的感觉。为了搞明白这届物理学奖到底说了个啥，我用人到中年已经瘫痪了一大半的脑容量仔细研究学习了好几天。
　　结果令人惊喜！
　　我仍然一知半解。
　　所以这篇文章与其说是科普，不如说是和大家探讨，如果有熟悉该领域的朋友，欢迎下方留言指正。
　　先来看瑞典皇家科学院对三位科学家的评价： 表彰他们＂进行了 纠缠光子 的实验，确立了对 贝尔不等式 的不成立，并开创了量子信息科学。＂
　　阿斯佩、克劳瑟和塞林格分别利用纠缠的量子态进行了突破性实验，他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路，让不可思议的量子力学效应找到了实际的应用，并造就了一个庞大的研究领域，包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。促成这一发展的关键因素之一在于，量子力学允许两个或多个粒子以所谓的纠缠状态存在。发生在纠缠对中的一个粒子上的事情，决定了发生在另一个粒子上的事情。
　　好吧。如果说我们对上面这段话的解读云里雾里的话，我们必须先来了解几个概念。
　　1、量子
　　能量存在的最小单元即＂能量子＂（量子） 。当一个物体存在最小的不可分割单元时，我们就说它是量子化的，并把这个最小单元称为一个量子。这个概念由德国物理学家普朗克在1900年研究黑体辐射时率先提出。量子的传播是不连续的，它的传播是一份一份的。量子化是量子力学的主要特征之一。除了能量以外，电荷、粒子自旋等物理量也是量子化的。
　　2、量子纠缠
　　量子纠缠的解读比较复杂。我们还是用一个简单通俗的举例来说明：在浩瀚的宇宙中，我们把两个粒子放到一起配对后，再把两个粒子分开，一个放在实验室，而另一个放在宇宙空间，此时会发生一件神奇的事情。即使放在宇宙空间的粒子与地球上的这个粒子距离数百光年外，也能与另一个粒子相互关联。此时，科学家将地球上的一个粒子向左旋转，那么，宇宙空间的另一个粒子会同时向右旋转，不受地球与宇宙空间的距离限制。这就是神奇的量子纠缠现象。
　　但是，量子纠缠这个概念本身是对经典物理学自然法则的颠覆，所以像爱因斯坦、薛定谔这样顶尖科学家，都对量子纠缠的概念并不满意。因为量子纠缠违反了 相对论中 对于信息传递所设定的速度极限，后来，爱因斯坦更讥讽量子纠缠为鬼魅般的超距作用。
　　3、薛定谔的猫
　　为了证明所谓的量子纠缠是不存在的，薛定谔于1935年提出了著名的有关猫的生死叠加的思想实验，我们把它称为＂薛定谔的猫＂。
　　实验是这样的，在一个盒子里放了一只猫，以及少量放射性物质镭和氰化物。因为镭的衰变存在概率，有50%的概率将会发生衰变并释放出氰化物杀死这只猫，但是也有50%的概率不会衰变而让猫活下来。
　　这里我们又需要引申理解一下。微观物质有不同的存在形式，即 粒子和波 。通常，微观物质以波的叠加混沌态存在，但是一旦观测后，它们立刻选择成为粒子 。
　　所以，在量子的世界里，当盒子处于关闭状态时，整个系统一直是保持不确定性的波态，即 猫生死叠加 。猫到底是死是活必须在盒子打开后，外部观测者观测时，物质以粒子形式表现后才能确定。
　　而根据经典物理学理论，在盒子里必将发生这两个结果之一，而且是已经客观存在了的，外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。
　　这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理。 客观规律不以人的意志为转移，但是猫既活又死违背了逻辑思维。
　　薛定谔旨在通过这个思想实验来说明量子理论存在的不确定性，同时对这个理论进行挖苦。爱因斯坦也认为量子理论本身不是终极真理。他为此说过一句名言： ＂上帝不会掷骰子。＂ 他对薛定谔的猫的非本征态之说嗤之以鼻，认为一定有一个内在的机制组成了事物的真实本性，而不可能存在所谓的生死叠加。此后，他花费数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否确实在起作用，但还没有完成这个实验就去世了。
　　4、平行宇宙
　　从薛定谔提出他的猫后，平行宇宙的概念也从中诞生了。那就是当我们向盒子里看时，世界开始分裂成两个版本。这两个版本唯一的不同就是一个是猫活着，一个是猫死了，在其他的各个方面都是相同的的。这也就是说，在量子的世界中，我们通过自己的参与观测而做出了自己的选择，由此产生了不同的变化和世界发展，也就是平行宇宙。而每一个宇宙中的我们，一切都是真实的。埃弗雷斯特所提出的平行宇宙概念的前提是＂薛定谔的猫＂是客观存在的，但它并非处于生死叠加的状态，而是在两个平行宇宙中存在，而对于观测者来说，打开盒子的瞬间意味着他选择了其中一个宇宙，而一切又都是真实的。
　　＂平行宇宙概念无疑是科学史上，目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。＂ 并非所有人都认同。
　　但是无论如何，基础物理学研究无疑是这个星球上最伟大的成就之一，因为任何基础物理学理论的奠基都意味着一个重大科研方向的全新开辟。而量子力学理论的提出本身就是一个巨大的成就。
　　5、相对论与量子力学
　　相对论与量子力学是物理学的两大基础理论。但是两者之间又存在着无法调和的矛盾。相对论是爱因斯坦提出的理论，而他同时也是量子力学的主要奠基人。但是随着量子力学的发展，爱因斯坦逐渐发现量子力学中的一些现象颠覆了他既有的认知，而且和相对论的观点相左。
　　前文在解释量子纠缠中我们说到，在量子纠缠的两个量子，不管在宇宙中相隔多远，其都会产生影响。也就是说如果它们足够远，那么相互之间影响的速度是超过了光速的。而在相对论中，这样的＂超远距离作用＂是不可能存在的。在相对论中最快的速度就是光速，而量子纠缠现象又颠覆了相对论的这一认知。
　　相对论和量子力学的矛盾并不只是限于量子纠缠，两个理论对于四大基本力的解释也无法相容。
　　我们知道， 宇宙中的四大基本力为电磁力、弱力、强力和引力 。目前，量子力学已经统一了宇宙中的三种基本力，电磁力、弱力、强力，但是对于＂引力＂， 量子力学始终无法解释。
　　量子力学认为宇宙中的一切现象和力的传递都可以被视为基本粒子的交换产生的，而引力却无法量子化。量子力学为了解释引力这个概念，凭空塑造出＂引力子＂，但是始终没有找到真正的引力子，而相对论对引力的描述却正确且合理。可以说引力是量子力学解释整个宇宙的最后一块拼图，但是量子力学似乎对收齐这块拼图有些无能为力。
　　6、隐变量理论
　　正是因为量子理论不能完整地解释物理系统运行的状态，所以爱因斯坦等人质疑量子力学是不完备的。因此他认为量子力学的背后应该隐藏了一个尚未发现的理论，可以完整解释物理系统所有可观并可测的演化行为，从而避免掉任何不确定性或随机性。
　　1935年，爱因斯坦与波多尔斯基、罗森在《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗》中共同提出的 EPR佯谬 （以姓氏字首为缩写）试图对 哥本哈根诠释 做出挑战，从而与哥本哈根学派的代表波尔发生过激烈的争论。哥本哈根诠释太过复杂，且各位主流科学家解读不同，甚至天壤之别。简单了解一下，在量子力学里，无论是光子波还是电子波，平时就是一种概率性的波函数，无处不在，只有统计上的数据，这是量子力学的一个关键特色。波函数是个数学函数，专门用来计算粒子在某位置或处于某种运动状态的概率，但是一旦进入 观测 ，它就会发生＂坍缩＂，成为一个固定值，原本的量子态概率地坍缩成一个测量所允许的量子态。
　　爱因斯坦他们包括薛定谔都接受不了这个理论，所以薛定谔才把这个理论引入宏观，开始折磨起他的猫。 EPR佯谬的提出也就是想证明概率波并不存在 。爱因斯坦认为＂实在性元素＂（即隐变量）应该加入量子力学中，使得在量子纠缠现象中不会出现鬼魅般的超距作用。但是此一论点提出后，争辩却始终停留在物理哲学的范畴，直到约翰·贝尔提出 ＂贝尔不等式＂ 用来作为可操作性的实验证明。
　　＂贝尔不等式＂即透过实验加以 证明局域性隐变数不可能存在 ，包括EPR佯谬中提出的诠释版本。但是, 非定域性的隠变数诠释仍未被推翻。
　　7、双缝干涉实验
　　这里先提一下＂不确定性＂这个事。爱因斯坦、薛定谔他们认为不确定性很扯，但事实证明，＂不确定性＂是存在的。
　　300年前，牛顿认为光是以粒子形态出现的，而惠更斯却认为光是一种波。只到19世纪托马斯通过著名的双缝实验证明， 光是一种波 。
　　双缝干涉实验是从单缝衍射实验衍生出来的。实验是让一束光经过相距很近的两条狭缝后，投射到缝后的屏幕上。一般来说，当光经过一条竖着的狭缝时，会发生 衍射 ——光绕过障碍物弯散传播的现象，在屏幕上看到的并不是一条竖着的亮纹，而是一条横着的亮带。
　　按照牛顿的光粒说，当两条缝的亮带在屏幕后重叠时，理论上应该会显示一条更亮的光带，但实验结果却并非如此，屏幕上显示的是一条条明暗相间的条纹。
　　牛顿的棺材板应该是盖不住了。因为在这些条纹的暗纹上，按他所说的应该是有光的，但当两条缝的光重叠后，那些位置却变成了没有光。托马斯联想到水波的干涉，于是证明光是一种波，暗纹是光波互相干涉产生的。
　　当水波从两缝展开，重叠相遇时，相遇的水波重叠，波峰重叠便会增加高度，两个波谷相遇，水凹陷的深度也同样会增加。如果来自一缝的波峰与另一缝的波谷相遇，它们便会彼此抵消。这也解释了光通过双缝后的明暗条纹。
　　当然，后来爱因斯坦通过光电效应又证明了光也是一种光粒子，但和牛顿所阐述的并不一样。光，其实既是波也是粒子，这就是 光的波粒二象性 。
　　但是后来的实验让爱因斯坦的棺材板也盖不住了。
　　电子也做了一个双缝衍射实验，它同样也是波。但是哪怕把电子一个一个打出去，它同样会形成干涉条纹，一个个出去的话和谁干涉呢？只有和自己进行干涉才能合理解释。它也如同概率一样，一个个地去分布成这种类似的＂点阵＂。但是一旦去追踪电子的路径，看它走哪个缝的时候， 干涉条纹竟然神奇般的消失了 。也就是说，一个粒子竟然真的会因为你是否观察它而产生变化。
　　而且，除了光子、电子之外，大部分的微观粒子都被发现了这种＂不确定性＂。
　　8、贝尔不等式
　　现在就到了证明贝尔不等式不成立的时候了。
　　前文说到的贝尔不等式是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。实验如果表明贝尔不等式不成立，即说明不存在关于局域隐变量的物理理论可以复制量子力学的每一个预测，此即 贝尔定律 。也就是说，通过证明贝尔不等式不成立可以反向推导 任何定域隐变量理论不可能重复量子力学的全部统计预言， 也就是说隐变量理论不可能成立。
　　爱因斯坦是把EPR光子对的相互关联看成是由普通光源决定的普通性质，而后这些性质又在光子离开光源时被一道带走。但真实的情况应该是： 一个EPR纠缠光子对是一个不可分离的实体，是不可能分派单独的局部性质给每个光子的 。贝尔不等式的验证实验可以看到，特别挑出来的具有严格相对论性分离的测量都 严重违反贝尔不等式 ，说明按爱因斯坦方式描述孪生光子对的想法是行不通的，孪生光子对之间通过空间和时间保持联系，是量子不可分离性的直接明显的表现。
　　贝尔不等式经过几十年的验证，使量子力学的正确性又经受了一场高技术、高规格的科学证明，它的实验验证结果也标志着直到今天都不支持对量子力学非完备性的指责，也就是说 定域隐变量理论是不能取代量子力学 的。
　　说句能听懂的话，那就是证明 爱因斯坦是说错了 。上帝还真是掷骰子的。
　　看到这里的小伙伴是不是感觉自己的头皮发痒，是不是脑子要长出来了，希望不是头皮屑。
　　至于实验的具体操作步骤以及相关研究方向，我想还是跳过吧，因为要理解起来更是难上加难。有兴趣的朋友不妨一试。
　　但是，我们所要清楚的是，2022年获诺贝尔物理奖的三位科学家的科学成果都和验证贝尔不等式有关。正是因为他们以及身后的实验团队通过不断的科研实践验证了贝尔不等式的不成立，才让源于＂非定域性＂的量子效应的科学理论用于实践发展，从而引领量子信息研究的蓬勃开展，涉及到诸如领域，比方说量子计算机、量子密钥分配、量子浓缩编码、量子纠错码、量子隐形传态等等。
　　对于我们而言，耳熟能详的自然是我国的＂墨子号＂量子科学试验卫星。
　　写在最后：
　　文章写完，不知道大家有没有了一个初步的了解。总而言之一句话，量子力学理论的提出是科学发展的里程碑，它和相对论同为现代物理学的两大基础理论，并已在实践中取得了长足的发展和成果。
　　实时加密通信不过是其运用的一个方面而已。打个比方，如果从地球往火星进行数据传输，可能有3分多钟的延迟，但是量子通信却可以是瞬时的。又或者，实现物体的＂瞬移＂也并非是不可能的。
　　当人类的智慧还没能达到对一切宇宙物理知识全盘了解的时候，需要不断验证，不断探索，甚至从相反的方向去推导结果。
　　科学到了一定的高度，就充满了无尽的思辨，这也是我们经常说 ＂科学的尽头是哲学＂ 的原因。有时候，天才和疯子就在一念之间。当一个伟大的理论提出来的时候，一个全新的领域就开放到了世人的面前，自然会有人反驳，有人认为纯粹是无稽之谈或者脑洞大开而已。然而，科学家始终是秉持着对未知无尽的好奇和探索的一群人，他们通过不断地进行数学归纳和实验来解决困惑，他们对待科学之严谨，始终是面向宇宙万物的基本态度。
　　这，就是科学的精神。
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