七天 探花 中国科学院院士潘建伟：禀报爱因斯坦未能解答的问题

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蔡林格训诫是我留学奥地利时的博士生导师。我在1996年加入他的商议小组，杀青量子隐形传态是我在蔡林格训诫的指导下与共事配合完成的第一个实验责任。1997年底，这一责任以《实验量子隐形传态》为题刊登在了《天然》杂志上。其后在1999年，这篇论文同相关发现X射线、建立相对论、发现DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构等影响天下的首要商议恶果的论文沿途，被《天然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

这一实验责任具有划期间的道理，它不仅被合计是量子信息实验商议的开山之作，关于中国的量子信息发展也有着不寻常的道理：从其时起，国内学术界的主流意见基本住手了对量子信息的质疑，为这一新兴畛域在我国的茂密发展掀开了地点。

在奥地利期间，我还和蔡林格训诫配合完成了一系列量子物理基础和量子信息畛域的奠基性实验，包括杀青量子纠缠交换、量子纠缠纯化及非定域性锻真金不怕火等。

扫尾了在奥地利的学习和责任后，我回到中国孤苦启动了量子信息的商议，从蔡林格训诫的学生形成了他的同业。咱们在不同的国家同期开展量子信息商议，友好地配合和竞争。同期，量子信息这个新兴畛域，跟着其应用渐现端倪，也越来越受到各界热心。零散是当中国的科学家和工程师团队通过“墨子号”量子科学实验卫星和大地光纤主线将量子通讯鼓舞到数千公里的限制之后，全天下王人感受到量子信息，零散是量子通讯还是启动从东说念主类的联想走向履行。

跟着量子信息的茂密发展，蔡林格训诫和另外两位训诫阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽沿途取得2022年诺贝尔物理学奖。他们的获奖情理是：“期骗纠缠光子进行实验，勾引对贝尔不等式的抵抗并草创量子信息科学。”卓越偶合的是，这恰正是本书题目中的三个要津词：爱因斯坦、光子、量子隐形传态所要告诉咱们的故事。

我试着对这个故事的端倪进行了一下梳理。爱因斯坦最广为东说念主知真是立是建议了相对论，而他对量子力学的建立相似功不可没。他建议的光量子假说是量子力学的基本主意之一，他也因此取得了1921年诺贝尔物理学奖。尽管如斯，跟着量子力学表面基本框架的完成，由于对该框架并不惬意，他如故启动质疑量子力学自己的完备性。

这里我先借用“薛定谔的猫”简要先容一下量子类似和量子纠缠的主意。远大糊口中，咱们知说念一只猫只可处于“死”或者“活”两种现象之一。但是按照量子力学，关于微不雅天下的一只“猫”，如若咱们不去“看”这只猫到底是死是活，它在某些特定条目下就不错处于一种“死”和“活”现象的相关类似，换句话说，在这种现象下，猫的死活是透澈不细则的。这种不细则性是内秉的，并弗成跟着不雅测技能的提高而变得细则，这就是所谓的“天主掷骰子”。

天然量子类似的主意与咱们远大糊口的教化比较卓越奇怪，但如若把量子类似膨大到多体系统，会导致一种更奇怪的气候，那就是量子纠缠。仍然用猫来打比喻，在量子天下中的两只猫，甚而不错处于“活活”和“死死”两种现象的相关类似。在这种现象下的两只猫，尽管每一只猫的死活王人是不细则的，但如若咱们去“看”其中一只猫并发现它是活的，那么另一只猫会蓦然“坍缩”到“活”的现象，反之也是，即使这两只猫还是分隔卓越远处。也就是说，这两只猫的死活现象存在好意思满的关联，就仿佛是“纠缠”在沿途一样，这正是量子纠缠一词的由来。

昭彰，爱因斯坦不惬意量子力学果然不错允许这种奇怪气候的存在，于是他和两位共事在1935年发表的一篇驰名论文中进行了一番推理：领先假定爱丽丝和鲍勃两个东说念主辩认去不雅测这两只猫的死活现象。如若他们不雅测的时候断绝卓越短，以至于六合中飘扬速率最快的光王人来不足在爱丽丝和鲍勃之间对不雅测禁止“透风报信”，那么他们各自的不雅测禁止即是透澈孤苦的，这在物理学上被称为“类空断绝”；其次，即使是类空断绝，期骗量子纠缠不雅测禁止的关联性，也不错阐述爱丽丝的不雅测禁止立即精准预言出鲍勃的不雅测禁止。举例，爱丽丝如若看到她那处的猫是“活”的，她不错立即细则，鲍勃若去看他那处的猫，那也一定是“活”的，反之也是。

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因此，关于两个透澈孤苦的不雅测事件，爱丽丝不错精准预言鲍勃每一次的不雅测禁止，这只可解释为：鲍勃的不雅测禁止即鲍勃那只猫的死活现象，是在被进行不雅测前就还是细则好的，根柢不是量子力学所描述的那样是“不细则的”。这就是爱因斯坦所坚握的“定域确凿性”。

但是，尼尔斯·玻尔等东说念主坚握的量子力学合计：在对猫进行不雅测前，它们的死活现象是不细则的。一朝爱丽丝进行了不雅测，她那只猫的死活现象就被细则，同期鲍勃那只猫的死活现象也细则了，无论这两只猫相距何等远处。

这就是“量子力学非定域性”。

尽管两种不雅点透澈不同，但王人大概解释量子纠缠不雅测禁止的关联气候，因此这一争论暂时只可停留在形而上学层面。

一直到1964年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔建议了贝尔不等式，才提供了通过实验锻真金不怕火这两种不雅点孰是孰非的可能。简言之，对两个粒子的各式测量禁止不错组合出一个不等式，如若“定域确凿性”正确，那么这个不等式一定设立；反之，如若抵抗贝尔不等式，那么爱因斯坦的“定域确凿论”就错了。而按照量子力学的预言，从量子纠缠态登程，不错找到某种组合抵抗贝尔不等式。

接下来就是实验考证了。从20世纪70年代起，以蔡林格训诫等三位诺奖得主为代表的物理学家们开展了大王人实验，越来越严格地考证了对贝尔不等式的抵抗，从而解说了量子力学的正确性。

除了在量子物理基础畛域的探索外，通过实验考证贝尔不等式被抵抗，物理学家们发展出了主动精准专揽量子现象的技艺，使得东说念主们不错期骗量子现象杀青对信息的编码、调制、传输和测量，从而催生了一门全新的学科：量子信息。量子信息不错提供道理上无条目安全的通讯、超快的并行策划才智，以及超高的测量精度，将为信息科学、物资科学、生命科学，乃至探索六合的玄妙带来改进性的冲破，现已成为刻下物理学发展最前沿的畛域之一。还不错看出，从爱因斯坦建议光量子假说，到爱因斯坦用“光子盒”等各式念念想实验与玻尔争论，到制备并专揽光子的纠缠，再到杀青量子隐形传态，从主意到实行，光子在通盘这个词量子力学以及量子信息的发展历程中王人演出着极为蹙迫的扮装，这可能正是本书定名为“光子之舞”的原因。

（作家为中国科学院院士、中国科学技艺大学常务副校长）

开头：北京日报

历程裁剪：U032

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