神奇的量子纠缠 | 周思益
2022年诺贝尔物理学奖奖给了三位量子信息科学的先驱阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），约翰·克劳泽（John F. Clauser）和安东·蔡林格（Anton Zeilinger）。值此机会，2022年12月29日，在抖音知识，网易财经智库和C位观察栏目联合组织下，作者周思益和中国科学院院士、中国科学技术大学潘建伟教授以及2022年诺贝尔奖得主蔡林格教授做了一期访谈节目。这个节目属于抖音主办的#AllAboutKnowledge（硬核知识局）活动。以下是访谈实录。
传播效果：播放2523万，评论9163，点赞160402
蔡林格教授：奥地利量子物理学家，诺贝尔奖得主，维也纳大学物理学荣誉教授，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所资深科学家和研究员，奥地利科学院前院长。他的研究大多涉及量子力学基础以及量子纠缠的应用。2007年，蔡林格教授在伦敦被授予了第一个艾萨克牛顿奖章，获奖理由是他对量子物理学的基础，开创性的概念以及实验的贡献，已经成为量子信息领域快速发展的基石。2022年10月，他和阿兰·阿斯佩和约翰·克劳泽共同获得了诺贝尔物理学奖。他们出色的工作包括对纠缠光子的实验确立了贝尔不等式的违反和开创量子信息科学。
潘建伟教授：1987年开始在中国科学技术大学近代物理系学习，1992年本科毕业，1995年获得硕士学位。1996年，去奥地利因斯布鲁克大学，在蔡林格教授的研究团队工作，1999年获得博士学位。2001年潘建伟回到科大，建立量子物理和信息实验室。2016年，潘建伟院士团队研发的“墨子号”量子科学实验卫星成功发射，实施世界首例卫星与地面之间的量子通信。2017年，潘建伟院士团队领导建造了世界上第一个长距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”。结合墨子号量子卫星和京沪干线，潘建伟院士团队和蔡林格教授团队第一次合作实现了洲际量子密钥分发。2020年，潘建伟院士团队建造了76光子量子计算机“九章”。它处理高斯玻色子采样问题比当时世界上最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍，实现了量子计算的里程碑。
蔡林格：不是的。我想我不会说纠缠光子要好得多。在一般情况下，纠缠在一起的一切都很有趣。即使是非纠缠态，量子物理学也可能非常有趣。我最早是研究非纠缠系统的，比如说中子【1】。五十年前，我转向了纠缠系统。因为中子是不能纠缠的，即使是世界上最好的反应堆，也不能产生足够的中子。所以我转向了纠缠光子，它们更容易处理，你可以更容易地进行操作。光子比电子或是纠缠原子多，而且在通信方面也是有好处的。也许建伟可以解释一下。
潘建伟：我完全同意安东说的话，很难说纠缠光子比纠缠电子好。当然，纠缠光子也有一些优势，特别是在量子通信方面，因为光子是最好的信息载体。光子能以光速传播，并且与环境的相互作用微不足道。所以这是一个很好的选择，可以进行长途通信，同时由于可以忽略环境的相互作用，我们可以很容易得到多光子纠缠。也许我们后面会讲到这个。在安东的先驱性工作之后，现在我们要进一步进行250个光子的操纵。这可能是我说为什么纠缠光子比纠缠电子更好的其中一方面的原因。
九章二号144模式干涉仪（部分）实验照片
周思益：安东你刚开始说了你最早研究了非纠缠的中子，那么为什么中子不能有纠缠呢？
蔡林格：中子只能在中子的性质之间有纠缠，比如说动量和极化，等等。这些性质必须是在同一个位置上。你不可能有两个在很远的距离上仍有纠缠的中子。我意思是说在原子核内部你可以有两个纠缠的中子。我想可能是在氦原子的内部有纠缠的中子。但问题是你得把它们隔得很远。我们工作的基础，贝尔定理，只适用于可以分离的系统。
周思益：那么你是怎么在实验上准备一堆纠缠的光子呢？
蔡林格：在克劳泽和阿斯佩的实验中，他们在原子技术级联中使用了光子。好的，我把它纠缠起来了，但问题是你没有办法得到真正的高度纠缠。你没办法让光子有良好的定向。我们使用了自发参量下转换方法来制备光子【2】。只需要将激光射入一种特殊的晶体中，如果你做得对，有些会纠缠在一起，但通常不会。这就是这个下转换的方法。这个下转换是很久以前伯纳姆和温伯格发现的。第一个光学方面的实验是由Alley和Shih完成的，并且在80年代早期在日本的一个会议上公布【3】。我们立即意识到了这才是正确的方向。于是在建伟来之前不久，我们开始研制一种新的源，主要活动由Paul Kwiat完成。
自发参量下转换的原理示意图：一束激光射入非线性晶体之后会产生垂直偏振的光子和平行偏振的光子。这两个光子是互相纠缠的。
周思益：因为今年的诺贝尔奖颁给了贝尔不等式的验证实验，那你通常是怎么对非专业人士解释贝尔不等式的？
蔡林格：就像它们在诺贝尔奖颁奖礼上解释的那样，你可以有两张纸。你在一张纸上写了1，另一张纸上写了0。纠缠的关键在于，在你看它们之前，它们不一定是0和1 。在你看了之后，才发现一张纸上写了1，另一张纸上写了0 。贝尔不等式说的是，你应该做这样一个双态系统，两者之间的某种关联无法用系统来解释。两个系统之间没有发生瞬间交互拥有各自的特性，自然界中没有任何东西可以定义，在任何地点具体会发生什么，但是它们却息息相关。
周思益：现在我们结束第一部分内容，接下来我们来讨论网上的热议话题。人的意识到底是经典物理支配的还是量子物理支配的呢？意识会不会对双缝干涉的实验结果产生影响？
潘建伟：我认为意识不太可能只涉及经典力学。量子力学一定在大脑中发挥作用。否则，这个世界会很无聊：所有的东西都可以被复制。我可以复制两位安东蔡林格教授，这样我就不知道哪位是我的导师了，这样我们就会遇到一些问题了。但是量子力学可以阻止你做最精确的复制，即使是单个粒子的未知状态也复制不出来。所以我相信量子力学一定在某种程度上与我们的大脑机制有关。
周思益：另外一个网上热议的话题是，在日常生活中，有很多产品宣称自己是量子科技，比如说量子能量仓、量子美容仪，等等。有没有真正的和量子有关的处于实际应用阶段的产品呢？
蔡林格：你提到的产品跟量子物理没有关系。这个词的滥用跟能量这个词的滥用是一样的。很多人说某种药物里面含有能量什么的，这些都是无稽之谈。也许建伟知道更多的内容。
潘建伟：我们有两种产品，一种是跟量子力学相关的产品，比如说我们的手机、相机、内存，还有电池等等，这些都是量子力学相关的产品。另一种是第二次量子革命相关的产品，比如说导航和激光，也许可以在因特网上有用，还可以探索基于量子叠加和量子纠缠的保密通信等等。今年诺贝尔奖的背景介绍中提到了贝尔不等式违反的建立，这直接关系到量子密钥分发的安全性。这种场景已经找到了一些初步的应用。很快就会有更实际的应用。另一方面，最近人们也在使用量子技术进行高精度测量，可以用于导航。也许在未来的引力波测量中找到很多其他的应用。
周思益：我想请教一下潘建伟院士，你在因斯布鲁克大学读书的时候，你认为蔡林格教授是什么样的人？他对你影响最大的是什么事情？
潘建伟：其实10月4号得知安东获得诺贝尔奖的信息之后，我试着给安东打电话，但是他的电话一直占线。几分钟之后我们再给他打电话，他的电话仍然占线，因为我们终于知道了，我是说我们看电视，他正在接受采访。我的第一感觉是安东对所有的学生都很友好，特别是对来自国外的学生。你可以看到很多来自合肥、上海、南京、西安、长沙，甚至在加拿大的人。他们都是中国人，受过安东多年的教育和指导。
我依然可以深情地记得，当我的妻子和我一起在1998年的因斯布鲁克大学的时候，安东邀请我们到他的家里去，那时候安东还很年轻，他的胡子全是黑的，现在它们已经变白了。他邀请我们去他家过圣诞节。20年之后，我的儿子、我的女儿还有我的妻子，我们又有机会去拜访安东在因斯布鲁克的家人。
安东对于我来说不仅仅是一个导师，而且还像父亲一样，让我们成为一生的挚友。我仍然记得，安东的厨艺很好，每年感恩节他都会邀请我们。他会邀请他所有的学生到他维也纳的家里。他会做一个非常大的火鸡给所有的学生吃。在我心中，安东是一个很好的厨师。我们非常荣幸能品尝到真正的美味，还有野猪肉。这正是我想提的。
安东对中国也很友好，他是中国科学院的外籍院士。他对发展中国家都很好，所以他是第三世界科学院的委员会成员。你们可以看到这些祝贺安东的人，10年前被邀请去维也纳。那时候他们还很年轻，现在他们在中国已经是真正的大人物了。所以今天中国能有这样的研究，很大程度上也是由于安东的指导和贡献。我们非常感激，在他的引导下，你可以经常看到安东和我们在一起。
你问我从安东身上学到的主要经验是什么。我想提一件很重要的事情。安东是个好父亲。我记得1997年的一个晚上，我在办公室工作到十点半，安东经过我的办公室，他很高兴我还在工作。我说我的老板，我辛辛苦苦为你工作。安东听了非常不高兴。他对我说：不，你不是为我工作，你是为你自己工作。我一直告诉我中国的所有学生，你是为你自己工作，不是为了你的老板，不是为了你的上司。你要永远记住。
蔡林格：非常感谢你，建伟，还有这里的所有人，谢谢你们的祝福。其实这些图片勾起了我的回忆，你可以把它们发给我吗？我可以在以后的演讲中展示给我的学生和同事看。我真的很喜欢跟大家联系。我真的非常希望我们能在中国或者维也纳再次相见。现在最重要的事情是我们都保持健康。你刚才说我老了，胡子都变白了。好吧，总有一天你也会变成这样的。
潘建伟：我还想提一下另一个主题，因为我有点过于兴奋了。安东是一个很好的导师，他非常尊重学生的选择。因为你知道我来因斯布鲁克大学的时候，我是一个理论物理学家，我对实验一无所知。于是我找到了安东，他真的把我带到了本科生的实验室。于是我开始使用光学干涉仪了。我那时候对这些实验一无所知。他非常尊重我的选择，尊重学生的选择。在中国，赵博，就是刚才向你祝贺的人，他最近在超冷量子化学领域取得了一些不错的成绩，有了在《自然》和《科学》上发表的论文。他博士后期间是和Peter Zoller一起做理论的。回来之后，他加入我们。他说他想做一些实用的物理研究。我就让他试试，现在他成功了。这就是我在你身上学到的东西。
蔡林格：当我说你不是在为你的老板工作，而是为了你自己而工作，我的意思并不是让你自私，而是说你应该享受你正在做的工作。有时候你得无视你的老板说的话。如果你足够努力，那么你会学到很多的东西，比你的老板更了解你的工作。这就是教育的目的。
周思益：我想问问蔡林格教授，得了诺贝尔奖之后是什么感觉，你对未来的计划是什么？获得诺贝尔奖如何影响你对未来的计划？
蔡林格：毫无疑问的是，我非常高兴。但是我非常忙，以至于没时间想这些事情。现在我正在准备我在斯德哥尔摩大学的讲座。我想给大家做一个关于我所做的研究的概述，半小时之内讲完。这是一个非常巨大的挑战。以后我想继续从事物理研究，继续这些卫星方面的工作。就我个人而言，我对基础物理学更感兴趣。我感觉是在做了所有这些实验之后，我们对基础物理的了解更多了。我们已经学会了磨砺我们的直觉。我会写一本关于量子力学诠释的书。
周思益：那你们相信量子力学的多世界诠释吗？
蔡林格：量子力学的多世界诠释是个很好的想法。但是在我看来，这只是一个逃避真正问题的方式。这种多世界诠释试图仍然用经典的办法来理解我们这个世界，我觉得这不是一个正确的想法。潘建伟教授怎么看？
潘建伟：我也有同样的看法。你如果有一个新的诠释，但是这个新的诠释没有给我任何新的预言，那么任何诠释都是一样的。
观众提问1：在电影《星际迷航》中，人们可以把一个物体从一个地方转移到另一个地方。在现实中，我们有量子隐形传态技术，可以把量子态传输到很远的地方，这两者有何联系？
蔡林格：隐形传态传递的是量子态，而不是物体，所以只能进行信息的传输。而物体的瞬间移动我们需要这个物体的所有信息。信息比物质更重要，比如说在我们的身体里面，你用其他的碳原子取代你身体里的碳原子的话，你还是原来的你。我们需要对信息进行传输。在量子计算领域有一篇论文，我最近和建伟一起做的，你可以用量子隐形传态连接未来的量子计算机。其实最重要的应用还是在于量子计算上面。
观众提问2：潘建伟教授能否向观众介绍一下中国科学技术大学量子信息的相关进展？
潘建伟：我们现在的重点是：
1.量子通信的大规模应用，并且为未来的量子网络打下基础。
2.实用的大规模量子计算的东西。
3.高精度的测量。
我们在中科大的同事在这三个领域齐头并进。安东提到，希望我们继续进行合作。随着墨子号卫星的成功发射，以及在未来几年内发射的高轨道卫星，我们可以进一步实现量子通信的相关实验。另一方面我们也在努力实现量子中继器。我们希望借助量子隐形传态技术，实现一千多公里的量子纠缠。安东，我们有一个非常不错的计划。借助我们最初的量子纠缠交换的实验，我们可以在未来的五年左右，在超过千公里的光纤中实现量子纠缠的分配。第二件事情是量子计算。在这个领域我们主要是做一些超冷原子的量子模拟实验。我们希望我们在不久的将来有一些不错的结果。在安东的帮助下，我们可以实现远距离的通信。我们的高轨道卫星能同时看到奥地利和中国，所以我们想看看短时间传输信息到一万公里以外。
观众提问3：在空间上达到更长距离的量子纠缠，最主要的困难在哪里？
潘建伟：最主要的困难在光子损失。在光纤中，光纤会吸收光子。在大气中，由于衍射极限，光束会变得越来越大。如果我们用一个有限的望远镜收集光线，我们也会有光子损失。根据计算，我对在接下来五年内在欧洲和中国之间的光子传输超过一万公里有非常乐观的期望。但是在光纤中，在诺贝尔奖新闻发布会上，汉斯·汉森教授明确提到了安东的关于量子纠缠交换的原创性工作，是解决光子损失的唯一办法。从1998年到现在，我花了将近20年时间，在安东的指导下，我们第一次实现了量子纠缠交换。现在已经24年过去了，在4年或者6年后，我们应该能借助量子纠缠交换辅助的量子中继器技术，真正实现光子在1000公里内的纠缠分配。我们可以用量子中继器技术来解决光子损失。这是这条路的主要难点。如何解决由光纤引起的光子损失问题上有很多的难点。
蔡林格：对我来说，最重要的是纠缠交换。因为纠缠交换可以把没有相互纠缠的光子纠缠起来，它们原先完全是相互独立的。建伟关注更多应用方面的问题。我只是想强调一下，这就是我一开始感兴趣的原因。这是最令人惊讶的事情。我们可以纠缠两个从未相互作用的光子。
周思益：既然你提到了最重要的问题是光子损失，你把卫星送上太空就能解决这个问题。如果在未来，我们有两个太空卫星，空间中没有大气，我们也不需要光纤，做一个纯粹的太空上的实验，你希望实现一个非常非常长距离的纠缠光子吗？
潘建伟：由于衍射极限，光束会变得越来越大。如果你想把所有的光都收集到你的接收器里的话，你真的需要一个非常大的望远镜。那会很贵。所以我的意思是量子中继器可能会在长期运行中启动。这应该是量子中继器和量子通信卫星的组合。如果我们把两者结合起来，我们也许会为全球量子通信提供一个理想的解决方案。
蔡林格：现在我们来聊聊关于未来的一些东西。贝尔不等式的检验实验里有很多的漏洞，比如说局域性漏洞和检测效率漏洞（也叫无增强假设）。现在这些漏洞已经被堵上了。未来的实验不需要再次填补所有的漏洞。举个粒子，在一些论文中，我们有和月球上的人一起做的贝尔不等式实验。当我们能够去火星的时候，你知道，去火星需要非常长的时间。在路上，这些宇航员会很无聊。这些人也许可以在宇宙飞船上和地面上的人一起做一些贝尔不等式的实验。他们有没有收集所有的光子并不重要。重要的是我们知道这些人做出的决定一定是和地球上的人没有关联的，是他们自己的自由意志做出来的决定。这一切都非常有趣。
高中生的问题
郑博元，北京101中学高一学生，北京市力学竞赛决赛二等奖，第39届全国中学生物理竞赛复赛二等奖。
提问：近几十年来，很多科学家设计不同的贝尔实验去验证量子力学的可靠性，其中维也纳屋顶实验将验证范围扩大至了整个宇宙时空，请问两位老师，这个既简单又激进的方案设想是如何产生的？实验过程如何？实验结果如何？
蔡林格：事实上，迄今为止最好的实验并不是在维也纳进行的，而是在加那利群岛上【4】。你做了一个贝尔实验，两个光子产生并且发送到两个相距一公里多的两个站上的两台望远镜上。这两台望远镜都处于十分良好的状态里。这两台望远镜对着宇宙看类星体，不仅仅是看恒星。这些类星体距离我们几十亿光年。我们使用这些类星体发出的光的经典扰动来确定随机数，用在测量两个光子的偏振上。这是我做过的最美的实验之一。
下一个目标是利用宇宙微波背景辐射。再下一个目标是走向更古老的宇宙，利用宇宙中微子背景。这仅仅是猜测。更加大胆的想法是走到更古老的宇宙，使用原初引力波。但这只是猜测，等实现那一步的时候，我已经不在了。但这就是我们正在谈论的未来。
这个想法就是说你想要来源尽可能独立，所以你需要使用尽可能古老的光。为了避免这些光源之间的某些相关性，你必须使用非常古老的光，比如说类星体发出的光，或者是宇宙微波背景辐射发出的光，还有原初引力波。这是因为我们附近的光源，如我们身边的星星，它们之间可能有一些相关性，但你无法预料。
我鼓励所有的年轻人不要被自己现在的可能所限制。也许你有一个现在不可能的想法，但也许在未来就有可能实现了，因为有时候你不知道新技术要多快才能实现。关于随机数字实验，第一个随机数字实验是我组里的坦帕·克雷格的建议。他使用了单个量子事件的量子随机性。玛丽莎做过两个用互联网上的数字，比如说股票市场，或者锁定多少用户来产生随机数的实验。我们本来想用这样的方法。但后来我们没有这样做，因为我们总是太忙了。
在这次节目中，潘建伟院士和蔡林格教授给大家分享了量子纠缠的基本原理，量子纠缠的应用，蔡林格教授分享了关于贝尔不等式的实验技术。此外，潘建伟院士和蔡林格教授还分享了自己的科研和成长之路，对年轻学者有着非常有价值的借鉴意义。
■ 注释
【1】中子干涉仪：安东-蔡林格最早的工作可能是他最不为人所知的。他在中子干涉仪方面的工作为他后来的研究成就奠定了重要基础。1963年到1971年，他在导师Helmut Rauch的指导下做了《Neutron depolarization measurements on a Dy-single crystal》的博士论文研究。
【2】自发参量下转换：在量子光学里，自发参量下转换是一种很重要的技术，可以用来制备单独光子或彼此之间量子纠缠的光子对。 早在1970年，大卫·伯纳姆（David Burnham）与唐纳德·温伯格（Donald Weinberg）就已对于自发参量下转换给出详细科学描述。卡罗尔·艾利与史砚华首先用自发参量下转换机制制造出纠缠态。鲁巴·戈什（Ruba Ghosh）与伦纳德·曼德尔最早做自发参量下转换实验获得双粒子干涉条纹。
【3】Y. Shih and C. Alley, in Proceedings of the 2nd Int'l Symposium on Foundations of QM in Light of New Technology, Namiki et al., eds., Physical Society of Japan, Tokyo, 1986.
【4】Cosmic Bell Test using Random Measurement Settings from High-Redshift Quasars Phys.Rev.Lett. 121 (2018) 8, 080403
风云之声
科学 · 爱国 · 价值