介绍：
从爱因斯坦的质疑，到贝尔测试，再到2022年诺贝尔奖，量子纠缠已经成为物理学的支柱。
最近，瑞士物理学家、日内瓦大学教授尼古拉斯·吉辛（ Gisin）接受了科学记者兼播客主持人亚当·利维（Adam Levy）的采访，解释了为什么需要数十年的时间才能通过实验验证量子纠缠的概念并获得人们的接受。 年时间。 本文是该播客的文本版本。
科学记者 Adam Lavey（左）和物理学家 （右）回顾了量子纠缠现象如何从哲学讨论转变为实验验证。
量子纠缠：从“神秘”到自然法则的漫长旅程
亚当·拉维 | 主持人
尼古拉斯·吉辛｜嘉宾
陈思 | 翻译
陈晓雪| 校对
这场争论是从爱因斯坦开始的
Adam Levy：关于现实的本质，量子物理学告诉我们什么？ 遥远的粒子会互相影响吗？ 宇宙真的很奇怪、不可预测吗？ 我是 Adam Levy，这是这本杂志。
本季我们将探讨科学思想是如何以及何时发展的。 每一集都探讨一篇文章如何改变我们的思维方式，而这一期我们正在看一篇文章——实际上是一个伴随物理学 80 年的短语——“远距离奇异效应”（a）。
这句话出自爱因斯坦之口，他认为当时正在形成的量子物理思想存在严重问题，特意选择了这个措辞来形容。 在本集中，我们将探讨爱因斯坦认为过于神秘而难以接受的事物，以及北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Bell）的工作（参见文章：《宇宙》），他设计了一种通往宇宙的方法，并进行了终极测试，看看爱因斯坦的怀疑是否有根据。 。
但在此之前，我们需要谈谈20世纪初物理学界发生的革命。 那时，人们越来越清楚地认识到宇宙并不像物理学家经典描述的那样运作。
经典物理学用确定性定律来描述由光等波和电子等粒子组成的世界，但这无法描述大量实验揭示的现象。 结果，这种经典的宇宙观逐渐被描述微观世界奇特性质的量子力学所取代。
尼古拉斯·吉辛：最初，[这些奇怪的性质]实际上就是人们所说的波粒二象性。
Adam Levy：我是来自日内瓦大学的 ，他的整个职业生涯都在研究应用物理和量子物理，几十年来一直在思考量子物理在通信中的应用。
好的，但是什么是波粒二象性？
尼古拉斯·吉辛：例如，你有一个粒子、一个电子或一个原子，所有这些粒子有时表现得像粒子，像小台球，但有时表现得像波。 可以说，这些粒子的双重性质实际上是所有量子科学的起点。 直到 20 世纪 60 年代，甚至可能更晚的时候，它才真正成为人们关注的焦点。
亚当·利维：宇宙的基本组成部分既不是波也不是粒子，而是以某种方式同时表现出这两种属性，这种想法彻底颠覆了物理学。 虽然波粒二象性可能是主要焦点，但量子物理学的内涵远不止表面上所看到的。
量子物理学预测粒子可能会纠缠在一起。 这意味着两个或多个粒子可以连接在一起，并且彼此内在地相关，即使它们分开，即使它们相距很远，也不再可能独立地描述它们。 观察其中一个粒子似乎会影响对另一个粒子的观察。
尼古拉斯·吉辛：纠缠意味着：如果我现在对第一个粒子进行测量或做某事，第二个粒子就会受到某种影响，或者第二个粒子会“颤抖”。
Adam Levy：这种观点挑战了爱因斯坦关于宇宙的核心思想，即信息只能以光速或更慢的速度在宇宙中传播，因此任何物体都不能立即影响与其分离的物体。 但在这里，量子物理学表明，测量一个纠缠粒子可以立即对另一个粒子产生影响，或“颤动”。
尼古拉斯·吉辛：是的。 因此，爱因斯坦和当时的许多人一样，意识到如果现在在一侧进行测量，就会对另一侧产生影响。 其中一个粒子可能在我所在的日内瓦，而另一个粒子可能在我不知道的某个地方，比如遥远的美国某个地方。 然而，这些粒子具有纠缠属性，因此您无法单独描述它们。 爱因斯坦简直不敢相信这一点，所以他得出结论：纠缠是不可能的。
Adam Levy：事实上，爱因斯坦在 1947 年写信给马克斯·玻恩（Max Born），他心中为我们正在谈论的这种非局域现象起了一个绰号：“幽灵般的超距作用”。 这个短语至今仍在使用，但当时，是爱因斯坦独自反对这些想法，还是更广泛的物理学界实际上进行了积极的讨论？
尼古拉斯·吉辛：是的。 我认为爱因斯坦很多时候都非常准确且富有创造力，他提出了诸如“上帝不掷骰子”或“奇怪的远距离行为”之类的说法。 因此，“幽灵般的远距离作用”实际上反映了这样一种想法：你正在日内瓦接触颗粒物，而美国那边的颗粒物正在震动。 所以存在某种远距离作用。 爱因斯坦说：“这很奇怪。它不可能是真的。它一定很奇怪。”
当时，我想说，令人惊讶的是，物理学家对此没有太多关注……当时，绝大多数物理学家根本没有关注这些问题和问题。 而且，当时不可能把它变成实验。 有些人甚至认为这纯粹是哲学问题，没有任何物理意义。 正如我们后来看到的，这些人完全错误，但在当时这是普遍的观点。
贝尔不等式的命题：从哲学到物理实验
Adam Levy：实际上是在 1964 年爱因斯坦去世后，约翰·斯图尔特·贝尔提出了一个可能能够解决这个问题的测试。 我们现在称之为贝尔测试的核心是什么？
尼古拉斯·吉辛：现在想象一下，你有两个处于最大程度、非常高度纠缠的粒子，为了解释起见，将它们视为硬币。 因此，您可以获得两种可能的结果。 如果你抛一枚硬币，它可能是正面或反面。 现在，如果你以同样的方式翻转这两枚硬币的两面，它们最终会同时正面或反面。
1982 年，约翰·贝尔和他著名的贝尔不等式。 资料来源：欧洲核子研究中心
Adam Levy：这是量子物理学预言的奇怪现象，也是爱因斯坦认为不可思议的。 这个想法是，如果两个粒子纠缠在一起，然后将它们拉开，那么当你测量它们的某些属性时，你会得到相同的结果，就像翻转两枚单独的硬币时得到相同的结果一样。 就好像两个粒子立即达成一致并决定同时出现 - 例如，正面。
但也可能有一个不那么神秘的解释。 如果在将它们分开之前，粒子对抛硬币时会出现的情况有一个秘密计划。 那么就不会有量子纠缠，只有粒子将它们的计划付诸行动。
尼古拉斯·吉辛：约翰·贝尔有一个天才的想法，稍微改变了他掷硬币的方式。 假设现在以通常的方式抛掷一枚硬币，但以稍微不同的方式抛掷另一枚硬币。
Adam Levy：换句话说，如果我们以稍微不同的方式测量这两个粒子，它们是否仍然彼此一致，可以这么说，就像同时出现头一样？
业余时间研究量子理论的理论粒子物理学家约翰·斯图尔特·贝尔意识到，这些略有不同的抛硬币可能会解决粒子是否真的纠缠的问题，或者爱因斯坦拒绝这种量子之谜的观点是否正确的问题。 如果爱因斯坦确实是对的，不存在纠缠，但粒子事先有一个秘密计划，那么如果物理学家多次重复抛硬币实验，两个粒子获得一次的次数就会有一个极限，或者说上限。相同的结果。 。
尼古拉斯·吉辛：在量子力学中，你可以违反这个限制，所以这个限制就是我们所说的贝尔不等式。
Adam Levy：所以如果量子物理学是正确的，粒子确实是纠缠的，并且确实存在“幽灵般的远距离作用”，那么当你重复实验时，你会更经常地看到两个粒子同时出现头或两者都出现所示侧面。
这是因为粒子确实是相互关联的，因此可以立即影响彼此的抛硬币实验。 换句话说，这个贝尔测试是一种测试哪种想法是正确的方法：量子理论对纠缠的预测，或者爱因斯坦和他对这种奇怪行为的怀疑。
尼古拉斯·吉辛：这实际上就是贝尔提出的，他把整个讨论变成了一个潜在的实验。
40多年后的贝尔测试
Adam Levy：贝尔实际上并没有进行自己的测试，他只是提出了这个想法。 但什么时候有人真正进行了一项实验，清楚地表明粒子确实以这种奇怪的方式纠缠在一起呢？
尼古拉斯·吉辛：是的。 约翰·贝尔是一位不知道如何进行实验的理论家。 在 20 世纪 70 年代，我们等待了近 10 年，才首次进行实验证明，在进行略有不同的测量时，测量到相同结果的概率更高。 这个实验是由约翰·克劳瑟（John ）进行的。
亚当·利维：约翰·克劳瑟通过操纵钙原子产生两个明显纠缠的光子（即光粒子）来进行贝尔测试。 然后可以以与抛硬币类似的方式测试这些光子。 在这种情况下，意味着测量光的偏振方向，即光波的方向。 克劳瑟可以看到两个光子产生相同结果的频率。 该实验确实观察到违反贝尔不等式，表明这些光子确实是纠缠的。 爱因斯坦的假设似乎是错误的。
尼古拉斯·吉辛：这绝对是一个很棒的结果。 约翰·克劳瑟的问题是……实际上，他有两个问题。
首先，美国有一个人在约翰·克劳瑟之后不久也做了同样的实验，但他得到了不同的结果。 那么显然其中一个是错误的，但是你怎么知道哪一个是错误的呢？
此外，在 20 世纪 70 年代，这些都还没有被认为是严肃的物理学，约翰·克劳瑟 (John ) 从未真正晋升为任何大学的教授。 因此，他的职业生涯实际上受到了损害，非常严重的损害2023年诺贝尔物理学奖量子纠缠论文，因为他是第一个进行贝尔测试的人。
然后还有另一个实验，但那是在 20 世纪 80 年代。 你看，每项实验都是相隔近十年、一个接着一个进行的。
第三个实验是由阿兰·阿斯佩（Alain Aspe）和他的合作者在法国巴黎进行的。 他们进行了一项实验——质量更高、效果更好，但时间更长。 他们在一定程度上解决了这个问题，支持了量子力学的观点。 因此，纠缠无疑是自然的一个真实特征，而不仅仅是一种理论。
Adam Levy：所以这些实验支持了量子力学并削弱了爱因斯坦的怀疑论。 这些实验表明“幽灵般的远距离作用”是真实存在的现象。 但我了解到这还没有结束，仍然存在需要解决的问题，通常称为漏洞。
特别是，有一种观点认为粒子不会立即相互影响，而是以某种方式提前计划，然后以某种方式诱骗进行测试。 物理学家将这种可能的粒子欺骗称为局部变量。 您能否解释一下我们采取了哪些措施来堵住这些漏洞并证明纠缠是自然界的一个真正特征？
尼古拉斯·吉辛：阿兰·阿斯佩实验的主要缺陷是，要做这个实验，你需要生成这些光子对。
你没有把它们分别送到日内瓦和美国，而是把它们送到一个长约10米的大实验室的两端。 所以光子相距 10 米，然后你需要测量它们。
然而，在实际实验中，当您进行这些测量时，最常见的结果是您没有得到任何结果，只是因为光子在途中丢失了，或者探测器不是 100% 有效，因此探测器通常不会看不到光子。 光子很容易丢失或未被检测到。 所以你现在可以真正想象这些假设的局部变量将决定何时检测到光子以及何时不检测到光子。 即使一切都由局部变量引导和驱动，您也可以解释实验结果。
所以这仍然是一个需要测试的事情。 这项额外的测试实际上直到 2015 年才出现，距艾伦·阿斯佩 (Alan Aspe) 的实验差不多 30 年了。 获得足够好的单光子探测器需要相当长的时间。
偏执物理学：不断被实验验证
Adam Levy：该测试有效地利用光子和电子的组合来解决探测问题，并且可以对一公里范围内的成对纠缠粒子进行测量。 从那时起，贝尔又进行了许多其他测试来消除其他类型的漏洞，利用从卫星到电脑游戏的一切手段来突破该领域的极限。
但是，通过所有这些漏洞检查，物理学家是否有点偏执，他们认为这些粒子以某种方式串通一气，愚弄测试，让他们认为它们的行为很奇怪？
尼古拉斯·吉辛：这确实是偏执狂。 然而，贝尔不等式的违反意味着量子理论的这一特征不仅仅是理论的特征，更是自然的特征。 因此，它改变了物理学呈现给我们的世界观。 因此，这是一个如此重大的变化，这样一个概念革命，以至于关注这个假设的局部变量是有意义的，它将决定何时应该检测到或不检测到光子。 有意义的。
所以我认为真正深入研究并记住物理学实际上是一门实验科学是有意义的，仅仅思考理论是不够的，你必须实际做实验。 所以我认为这样做是有道理的2023年诺贝尔物理学奖量子纠缠论文，但我同意几乎没有人，我认为甚至实验物理学家，相信他们会证伪量子力学。 尽管如此，做这个实验还是有意义的。
一个重要的应用：加密密钥
Adam Levy：现在，这都是理论上的吗？ 或者理解量子世界以及如何以这种方式进行这些实验是否会导致在更平凡的日常世界中的任何应用？
尼古拉斯·吉辛：确实如此。 当这个讨论从爱因斯坦开始时，在某种程度上纯粹是哲学性的，然后约翰·贝尔将其变成了一个可能的实验，约翰·克劳瑟进行了第一个实验，而艾伦·阿斯佩进行了第一个可以说是真正具有决定性的实验。 然后突然在 90 年代，人们意识到这种非常抽象的思维有实际用途，因为如果你总是或几乎总是在两个粒子之间得到相同的结果，并且该结果是随机的，那么你就会在长距离上获得随机性。 非局部随机性与加密密钥非常接近。
加密密钥可以被视为密码。 什么是密码？ 双方之间必须是相同的，例如您与亚马逊或您的银行或您想以保密方式与之沟通的任何人之间。 而且它必须是随机的。
所以这里我们已经有了钥匙。 另外，我们现在在物理学中知道的另一件事是，根据纠缠理论，如果两个粒子非常纠缠，那么它们就不能与其他任何粒子纠缠。 它们不能与第三个粒子纠缠在一起。
所以这也保证了保密性。 如果你与银行纠缠，双方都可以获得相同的随机密码。 此外，您还可以确保其他人都没有密码的副本，这正是您想要的。 因此，密码学实际上在本质上非常接近于违反贝尔不等式。
但这是一场彻底的革命，我们突然意识到这些奇怪的量子相关性、贝尔不等式、局部变量的潜在存在或不存在实际上是加密密钥。 因此，它们在我们这样的信息化社会中非常有用。
诺贝尔奖是对量子纠缠实验研究的全面认可
2022年诺贝尔物理学奖获得者。 从左到右：阿斯佩、克劳瑟、塞林格。来源：诺贝尔奖官网
Adam Levy：所以，2022 年诺贝尔物理学奖实际上是颁发给实施贝尔测试的工作的。 这项荣誉对于认可这项工作是否具有重要意义？
尼古拉斯·吉辛：嗯，我认为 2022 年诺贝尔奖不仅是对三位获奖者（约翰·克劳瑟、艾伦·阿斯佩和安东·蔡林格）的认可，也是对整个领域的认可。 认识到这一领域在过去几十年里一直被忽视。 我必须说，诺贝尔委员会没有将诺贝尔奖授予约翰·贝尔是一个很大的错误。 他本来应该得奖的，但是他死得太早了，或者说诺奖委员会反应太慢了，或者是其他什么原因。
所以我个人很高兴这个奖颁给他们，当然只颁给这三个人，但是在这三个人之外，它确实认可了一个长期以来一直受到严厉批评的领域。 最好的例子是约翰·克劳瑟（John ），他是第一个完成贝尔测试的人，但从未在任何大学获得职位。 很多类似的工作都被忽视了，直到 50 年后他被授予诺贝尔奖。 所以这真的很了不起，我不知道在科学界发生过多少次这样的情况，一个领域在很长一段时间内，甚至几十年来都被严重忽视。
当我自己开始研究它时，我会说除非晚上 9 点之后，否则几乎不可能在这个领域工作 - 因为你不能靠它谋生。 诺贝尔委员会现在认可了这个领域，这真是太好了。
“远距离幽灵效应”的争论解决了吗？
Adam Levy：现在可以说尘埃落定了吗？ 现在我们可以肯定地说，宇宙确实很奇怪，贝尔测试中没有漏洞，也没有串通粒子欺骗我们吗？
尼古拉斯·吉辛：是的，除了我不会使用“怪异”这个词，我不认为这里有什么怪异的，相反，它非常非常真实。 我的意思是，现在这已在实验室中例行完成，甚至还有学生在实验室中进行这些练习。 这是一些非常精美的东西。
Adam Levy：过去，我猜是过去一百年，我们对量子行为的理解实际上已经进展到什么程度了？ 你怎么认为？
：我认为实际上是在过去的 30 年里，因为对我来说，真正的理解始于理解这些非局部量子相关性可以自然地生成密钥 - 这是有用的东西。 你可以看到这个变化。
最初都是讲波粒二象性，现在几乎没人再讲波粒二象性了。 人们都在谈论纠缠。 纠缠真正改变了量子力学并使其变得如此特别。 今天，我认为这个领域没有一篇论文、没有一本书、没有一场讲座不提到纠缠。 于是纠缠终于被理解为量子力学的本质。
Adam Levy：事实上，今天，纠缠，这种“远距离作用”，爱因斯坦认为难以想象的东西，是许多量子技术的核心，无论是确保你和银行之间的连接保密和安全的新形式的加密通信，或长期致力于构建具有实际应用的量子计算机。 直到今天，物理学家和记者仍然经常将纠缠称为量子的一种奇怪的特性。
物理学家花了很长时间思考爱因斯坦对量子物理学的抱怨，甚至花了更长的时间来证明他是错的，并证明纠缠是我们宇宙运行的基本方式，是分离粒子的关键。 它们之间存在某种同步。 但今天的物理学家并没有浪费任何时间，正在迅速将“远距离奇怪效应”付诸实践。
原标题《从‘’到法则’》，作者 Adam Levy，于 2023 年 7 月 18 日以播客形式发表。字幕由编辑添加。 本文封面图来自Flick。
