为什么量子信息获诺奖：量子的世界观才是正确的！ | 袁岚峰
2022年诺贝尔物理学奖颁给了三位科学家，美国的克劳泽（John F. Clauser）、法国的阿斯佩（Alain Aspect）、奥地利的塞林格（Anton Zeilinger），理由是“因为用纠缠光子做的实验，确认了贝尔不等式的违反和开创了量子信息科学”（for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science）。普通读者可能会迷惑，这说的是啥？但同时，媒体广泛报道了塞林格就是中国著名量子信息科学家潘建伟的博士导师，这是所有人都能看明白的。那么大家又会问，中国对量子信息的贡献有多大？以后中国科学家会不会因此得到诺贝尔奖？在这里，我就简短地向大家介绍一下。
（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/）
首先，有一个最基本的词是“量子”。这是因为有一个物理学理论叫做量子力学，它是当今物理学的两大基础理论之一，跟相对论并列。半导体、激光、发光二极管、卫星导航系统等现代技术，都是量子力学的成果。甚至可以说，所有的电器都用到了量子力学，因为导电性必须要用量子力学才能解释。
量子力学出现以后，人们就把日常生活中的理论即牛顿力学又称为经典力学。所以现在量子和经典常常作为一对形容词，例如量子计算机对经典计算机。
量子力学的重要性在于，它是描述微观世界的本质理论。当我们深入到分子、原子以及更小的尺度时，就发现经典力学总是错误的，量子力学总是正确的。而在描述宏观世界的时候，量子力学就会简化为经典力学，所以经典力学正确的地方量子力学总是正确的。这就是两者的关系。
这次诺贝尔奖的成果，归根结底是解决了一个基本世界观的问题：一个物理量在测量之前是不是必然有一个确定的值？
乍看起来，这完全不是个问题。你要测一个物理量，当然是有一个确定的值在那里等着你去测！这还用问吗？这就是经典的世界观。正如一首著名的诗：“你见，或者不见我，我就在那里。”
《班扎古鲁白玛的沉默》
然而，量子力学的世界观却不是这样。量子力学是明确地告诉大家，一个物理量在测量之前并不一定有确定的值，这取决于测量的设置。对某些状态和某些物理量，确实有一个确定的值，在这种情况下测量这个量必然会得到这个值，这就和经典的情况一样。然而在其他一些状态下，测量这个量就不会得到确定的结果，而是会概率性地得到若干个可能的结果之一。量子力学能够预测这些可能的结果是什么以及它们出现的概率，但不能预测单次测量的结果。
比如说，量子力学可能会告诉你，某个体系的某个性质取0和取1的概率各占一半。这话的意思是，制备很多同样的体系，去测量这个性质，比如说测一万次，那么会有五千次左右得到0，五千次左右得到1。在这个层面上，量子力学预测得很准。但如果你只做一次测量，问这次会得到什么？量子力学就会告诉你无法预测，我们唯一可预测的只是概率。
因此，量子力学在哲学上有一个惊人的后果：同一个原因可以得到不同的结果。换句话说，就是世界上存在真正的随机性。而在经典世界里，同一个原因必然得到同样的结果。平时见到的随机性，如掷硬币，只是因为对初始条件了解得不够多，实际上是伪随机。这是两者一个本质的区别。
表现这种区别的最典型的体系，就是“纠缠态”，这是一种两粒子或更多粒子的状态。很多人可能都听说过这个概念，并听说过这样的比喻：有两个球，一黑一白，把两个球分别寄给两个人。如果你打开盒子发现你收到的是黑球，那么你立刻就知道了另一个人收到的是白球。很多人可能觉得，这就是量子纠缠。
量子纠缠
但实际上，这个类似开盲盒的比喻遗漏了一个重点。在这个比喻中，球是黑是白是早就确定的，这是经典的世界观。但在量子纠缠中，测量结果是不确定的！诺贝尔奖委员会为此画了一幅漫画，来表现两种世界观的区别。在量子纠缠中，球在测量之前既不是黑的也不是白的，可以认为它是灰的。直到你测量的一瞬间，这个灰球才突然变成了黑球或白球，两者的概率各占一半。同时你就知道了另一个球的颜色，你的测量同时确定了两个球的颜色。这才是量子纠缠，它比开盲盒奇妙得多。
（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/）
到这里为止，你可能会感到这些虽然很有趣，但无法实验验证。无论球在测量之前有没有确定的颜色，测量之后它不就确定了吗？这能看出什么差别？
事实上，量子纠缠是爱因斯坦和他的两位助手波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）在1934年提出来的，目标是驳倒量子力学，因为他们认为这是荒谬的。而另一位大科学家玻尔（Niels Henrik David Bohr）为此跟爱因斯坦进行过长期的辩论。但在大多数科学家看来，这只是空对空的哲学争论，因此并不关注。
然而，六十年代北爱尔兰科学家贝尔（John Stewart Bell）指出一件石破天惊的事：这个区别实际上是可以检验的！他提出了一个不等式，把各种可能的测量结果的概率加加减减，只要这些待测的量在测量之前就有确定值，那么这些概率的这种组合的结果就必然有个上限，这就是贝尔不等式（Bell’s inequality）。但存在某些量子的纠缠态，使得这些概率的组合超过这个上限。因此，人们可以做实验去检验贝尔不等式。假如发现这个不等式不成立，就说明经典的世界观是错误的，量子的世界观才是正确的。
贝尔与贝尔不等式
这次的三位获奖者，都做了检验贝尔不等式的工作。1972年，克劳泽和弗里德曼（Stuart Freedman）首次做了这样的实验，发现确实违反贝尔不等式，量子力学是对的。但他们的实验还比较粗糙，人们可以说，如果大自然铁了心要作弊，是有漏洞可钻的。例如他们的两个探测器之间离得比较近，只有3米（https://news.berkeley.edu/2022/10/04/physics-nobel-recognizes-berkeley-experiment-on-spooky-action-at-a-distance），假如有人在这两个探测器之间以光速传信息作弊，原则上是可行的。然后阿斯佩等人在1982年改进了这个实验，堵上了一些漏洞。此后塞林格等人堵上了更多的漏洞，进一步确认了量子力学的正确。
顺便说一句，弗里德曼就是我的同事、科大少年班学院院长卢征天教授的博士导师。他原本有希望获得诺贝尔奖，但在2012年意外去世，没能等到今天。实际上他是1944年生的，比克劳泽还小两岁。两人合作时，弗里德曼是博士生，克劳泽是博士后。以前我和很多人都只知道阿斯佩在八十年代初做了检验贝尔不等式的实验，不知道弗里德曼和克劳泽在七十年代就做过，他们俩才是最早的，这是去年卢征天告诉我的信息。没想到过了一年之后，诺贝尔奖就授予了他们的工作。弗里德曼泉下有知，也该感到欣慰了！
到这里为止，很多人可能会觉得，这些成果只是在世界观层面非常重要，但跟现实生活似乎没有关系。然而实际上，这个世界观的变化会带来很多实实在在的技术。这就是诺贝尔奖颁发理由中说的量子信息，其实现在媒体报道的量子科技十有八九指的就是量子信息。它是二十世纪八十年代以来量子力学与信息科学嫁接出现的一门新学科，有望实现许多传统信息技术无法实现的效果。例如，传送术。
是的，传送术现在是一个真实的技术，它的专业名称叫做量子隐形传态（quantum teleportation）。
不过我们需要立刻说明一下，我们现在还不能传送一个人，能传送的是一个粒子。具体而言，它是利用一对纠缠粒子1和2，把3号粒子的未知状态传给2号粒子，同时3号粒子的初始状态就改变了。
量子隐形传态原理
好比一边有辆汽车，另一边有堆汽车零件，实验结果是把汽车的状态传了过去，让汽车零件组装成一辆汽车，但原来那辆汽车就解体了。所以这是状态的传送而不是复制，你永远都不会得到两辆相同的汽车。在我的科普书《量子信息简话》中详细介绍了这些原理，并且说到，在所有的量子信息技术中最富有科幻色彩的可能就是量子隐形传态。
量子隐形传态的理论方案是1993年提出的，1997年塞林格的研究组第一次实现了它，其中潘建伟就是第二作者。在诺贝尔奖网站的介绍材料中，还提到了很多量子信息的新成果，如“墨子号”卫星实现天地之间的量子保密通信（跨越4600公里，中国量子通信全球领先，欧美多久才能追上？| 袁岚峰），通过“墨子号”发送的纠缠对实现两个相距1200公里的地面站之间的量子隐形传态（全世界科学家都想做的实验，中国科学家首先成功了 | 科技袁人），这些都是中国科学家的成就。
量子信息是现在所有科学领域中发展最蓬勃的之一，具体分为量子通信、量子计算和量子精密测量三大部分，有望实现无条件安全的保密传输、前所未有的计算能力、前所未有的探测精度等等。因此，量子信息又被称为第二次量子革命，跟以前带来半导体、激光等技术的第一次量子革命相对。目前在量子通信方面中国走在世界最前列，在量子计算方面跟美国并列第一方阵，在量子精密测量方面还有不小差距，不过进步迅速。
因此，这次诺贝尔奖的成果中已经有不少中国科学家的贡献。以后如果我们取得更大的成果，例如建成全球量子通信网络，或者造出有实用价值的量子计算机，或者用量子精密测量技术发现暗物质，获得诺贝尔奖也是完全有可能的。当然，这些成果的价值远远不只是诺贝尔奖了。也许，你就会做出关键贡献。
■ 扩展阅读
《袁岚峰：中国量子力学后发，要看将来》（https://www.guancha.cn/YuanLanFeng/2022_10_09_661224.shtml）
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2022年诺贝尔物理学奖正解：量子纠缠和贝尔不等式的原理与实验｜韩锋
中国科学院科学传播研究中心副主任
中国科学技术大学科技传播系副主任
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员
科技与战略风云学会会长
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