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文|陈根未来，作者|陈根
上海时间10月4日17时45分，2022年诺贝尔化学学奖公布，授予美国学者阿兰·阿斯佩（Alain），法国学者约翰·克劳泽（John ）和法国学者安东·蔡林格（Anton ），以嘉奖她们“用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不方程，开创量子信息科学”。
去年的诺贝尔化学学奖授予这三名化学学家，既是由于她们的先驱研究为量子信息学奠定了基础，也是对量子热学和量子纠缠理论的承认。而展望未来，量子纠缠最为迷人的应用就是量子计算机和量子通讯，其中包括量子信息、量子加密、量子传输等等量子纠缠通讯，量午时代正在加速到来，人类也将经历一场全面的革新。
“幽灵般的超距作用”
这次得奖的核心，就在于“量子纠缠”。
浅显而言，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，似乎有一根无形的丝线牵着她们，这些神奇现象堪称“心灵感应”。
与此类似，量子纠缠则是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在纠缠关系，这两个纠缠在一起的粒子就好比是一对有心电感应的胞胎，不论三人距离多远，千米量级或则更远，只要当其中一个人的状态发生变化时，另一个人的状态也会跟随发生一样的变化。也就是说，不管这两个粒子距离多远，只要一个粒子的状态发生变化，才能立刻使另一个粒子的状态发生相应变化。
不过，在更早曾经，量子纠缠并不是一个被认同的存在。爱因斯坦和玻尔都是量子热学的开创者和奠基人，但她们对量子理论的演绎却是各执己见，针锋相对。其中，爱因斯坦的观点可以用其格言“上帝不掷色子”来概括。爱因斯坦指出量子热学不可能有超距作用，意味着他坚持精典理论的“局域性”。
爱因斯坦觉得：精典化学中的三个基本假定——守恒律、确定性和局域性，局域性应该是精典热学和量子热学所共有的。其中，守恒律指的是一个系统中的某个数学量不随着时间改变的定理，包括能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。确定性说的则是从精典化学规律出发就能得到确定的解，比如通过牛顿热学可以得到物体在给定时刻的确定位置。
局域性也叫作定域性，即觉得一个特定物体只能被它周围的力影响。也就是说，两个物体之间的互相作用，必须以波或粒子作为中介能够传播。按照相对论，信息传递速率不能超过光速，所以，在某一点发生的风波不可能立刻影响到另一点。为此，爱因斯坦就会在文章上将两个粒子间瞬时的互相作用称为“幽灵般的超距作用”。值得一提的是，量子理论之前的精典化学也都是局域性理论。
实际上，早在1935年，爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子热学描述能够被觉得是完备的？》，后人称之为EPR文章，EPR即是两人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论，爱因斯坦觉得，一个粒子只在局部拥有其所有特点并决定了任何检测的结局。
与爱因斯坦的观点不同，玻尔则觉得，爱因斯坦总是将观测手段与客观世界迥然分开，这是不对的。以玻尔为代表的赫尔辛基学派觉得观测手段会影响结果，微观的实在世界只有与观测手段一齐被考虑才有意义。在观测前谈论每位粒子的状态怎么没有任何实际意义。而且，由于两个粒子形成了一个相互纠缠的整体，为此，只有用波函数描述的整体才有意义，人们不能将它们视为相隔甚远的两个个体——既然是协调相关的一体，它们之间便无须传递哪些信息。
也就是说，EPR佯谬只不过表明了两种哲学观——爱因斯坦的“经典局域实在观”和阿姆斯特丹学派的“量子非局域实在观”的根本区别。
为量子纠缠正名
尽管EPR佯谬中的思想实验并没有达到爱因斯坦的目的，但它却开创了一小块新的领域，为后来的科学家提供了思路，推动了科学的发展。不管到底应当怎样剖析量子纠缠，后来的科学家通过实验验证，否认了这些“纠缠”现象的确存在。
化学学家约翰·惠勒是提出用光子实现纠缠态实验的第一人。1946年，约翰·惠勒强调，正负电子对湮没后生成的一对光子应当具有两个不同的偏振光方向。不久后，1950年，吴健雄和沙科诺夫发表论文宣布成功地实现了这个实验，否认了惠勒的思想，生成了历史上第一对偏振光方向相反的纠缠光子。
具体来看，光是一种波动，而且有其震动方向，如同平时看到的水波在向前传播的时侯，湖面的每位特定位置也在上下震动一样，上下就是水波的震动方向。通常的自然光由多种震动方向的光线随机混和在一起，但让自然光通过一片特定方向的偏振光片以后，光的震动方向便被限制，成为只沿某一方向震动的“偏振光”。
例如，偏振光式太阳墨镜的镜框就是一个偏振光片。偏振光片可以想像成是在一定的方向上有一些“偏振狭缝”，只能容许在这个方向震动的光线通过，其余方向的光线大多数被吸收了。
实验室中，科学家们可以使用偏振光片来测定和转换光的偏振光方向。光线可以取不同的线性偏振光方向，互相垂直的偏振光方向可类比于电子载流子的上下，因而，对用载流子描述的纠缠态稍做修正，便对光子同样适用。
也就是说，假如偏振的震动方向与偏振光片的轴一致，光线就可以通过；假如震动方向与检偏垂直，光线就不能通过。倘若三者成45°角，才会有一半的光通过，另一半不能通过。不过，在量子理论中，光具有波粒二象性，但是，在实验室中完全可以使用减少光的硬度的方式，让光源发出一个个分离的光子。
要晓得，单个光子也具有偏振光信息。对于单个光子来说，步入检偏器后只有“通过”和“不过”这两种结果，为此，在入射光子偏振光方向与检偏方向成45°角时，每位光子有50%的机率通过，50%的机率不通过。而假如这个角度不是45°是一某些的角度，通过的机率也将是另外一个角相关的数。
这意味着，光子既可以实现纠缠，又携带着偏振光这样便于检测的性质，因而，科学家们完全可以用它们来设计实验，检验爱因斯坦提出的EPR佯谬。不过能在实验中检验量子纠缠，最初还要归功于贝尔不方程的提出。
1964年，美国化学学家约翰·贝尔（JohnBell）提出了以他名子命名的物理不方程——贝尔不方程。贝尔提出，假如存在隐藏变量，大量检测结果之间的相关性将永远不会超过某个值。
得奖者之一的克劳瑟院士，就发展了约翰·贝尔的看法，并进行了一个实际的量子纠缠实验：约翰·克劳泽建造了一个装置，一次发射两个纠缠光子，每位都打向测量偏振光的滤光片。1972年，他与博士生斯图尔特·弗里德曼一起，展示了一个显著违背贝尔不方程的结果，并与量子热学的预测一致。用实验检验贝尔不方程，根本目的在于验证量子系统中是否存在隐变量，即检验量子热学究竟是定域的，还是非定域的。
但克劳瑟实验一直存在一些漏洞——局限之一是，该实验在制备和捕获粒子方面效率低下。并且因为检测是预先设置好的，滤光片的角度是固定的，因而存在漏洞。此后，阿斯佩院长进一步建立了这一实验，他在纠缠粒子离开发射源后，切换了检测设置，因而粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。
据悉，通过精密的工具和一系列实验，塞林格院士开始使用纠缠态量子。他的研究团队还展示了一种被称为“量子隐型传态”的现象，这促使量子在一定距离内从一个粒子联通到另一个粒子成为可能。
从贝尔不方程的提出，到克劳泽等的第一次实验，再到后来对于漏洞的补充和验证至今，早已过去了50多年。所有的这种贝尔测试实验都支持量子理论，判断定域实在论是失败的。
量子纠缠开启量子通讯
三位化学学家常年对于量子热学的研究工作，最终为量子纠缠正了名，而这对现代科技的意义却是不容轻视的。
量子通讯正是借助量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通讯方法。量子通讯指的主要是加密以及密码的传送方法是量子的，信息的具体通讯方法一直是精典的。换言之，量子通讯须要利用精典和量子两个通道：量子通道负责形成和分发量子秘钥，精典通道负责传递用量子秘钥加密后的真实信息。
保密和窃密的举动自古有之，“道初一尺，魔高一丈”，二者间永远进行着不停升级的智力战争。人们不断研制现代保密通讯技术，除了是为了保护个人隐私，也是为了商业、政治之间的信息保密。
但是，密码总存在被破译的可能，尤其是在量子估算出现之后，采用并行运算，对当前的许多密码进行破译几乎易如反掌。
具体来看，在密码学中量子纠缠通讯，须要秘密传递的文字被称为明文，将明文用某种方式整修后的文字叫作密文。将明文弄成密文的过程叫加密，与之相反的过程则被称为揭秘。加密和揭秘时使用的规则被称为秘钥。现代通讯中，秘钥通常是某种计算机算法。
对称加密技术中，信息的发出方和接收方共享同样的秘钥，揭秘算法是加密算法的逆算法。这些方式简单、技术成熟，但因为须要通过另一条信道传递秘钥，所以无法保证信息的安全传递——一旦秘钥被拦截，信息内容就曝露了。由此才发展出了非对称加密技术。
在非对称加密技术中，每位人在接收信息之前，就会形成自己的一对秘钥，包含一个私钥和公钥。私钥用于加密，公钥用于揭秘。加密算法是公开的，揭秘算法是保密的。加密揭密不对称，发送方与接收方也不对称，因而被叫做非对称加密技术。从公钥的算法可以容易地得到私钥，而有了私钥却极难得到公钥。也就是说，这是一种正向操作容易、逆向操作十分困难的算法。目前常用的RSA密码系统的作用即在于此。
RSA算法是罗恩·里韦斯特（Ron）、阿迪·沙米尔（Adi）和伦纳德·阿德尔曼（）二人发明的，以她们姓氏中的第一个字母命名。该算法基于一个简单的图论事实：将两个因数相加较为容易，反过来，将其乘积进行因式分解而找到构成它的奇数却十分困难。
例如，估算17×37=629是很容易的事，并且，假如反过来，给你629，要你找出它的因子就困难一些了。而且，正向估算与逆向估算难度的差别随着数值的减小而大幅减小。对精典计算机而言，破解高位数的RSA密码基本不可能。一个每秒钟能做1012次运算的机器，破解一个300位的RSA密码须要15万年。
但这对于量子计算机却是十分轻易的事情，使用肖尔算法的量子计算机，只需一秒钟便能破解刚刚那种300位的密码。可以说，在这个数据安全更加人人自危的明天，量子通讯的发展正在成为一种必然——量子通讯的魅力就在于其可以突破现有的精典信息系统的极限，这在缺少信息安全的当下，是极大的安全感，而这其实也是这次诺贝尔化学学奖会跨越快40年将奖项颁给三位验证了量子纠缠的化学学家的诱因所在。（本文首发钛媒体APP）