从爱因斯坦到“墨子号”：诺奖得主畅谈量子信息

2022年，诺贝尔物理学奖颁发给了阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格，获奖理由是：“利用纠缠光子进行实验，确立对贝尔不等式的违背并开创量子信息科学。”

诺贝尔奖向来在研究成果展现出重大的实用性和应用成果后才予以颁发，这也是安东·蔡林格等三人完成证明实验近半个世纪，如今才拿到奖项的原因。在量子信息技术的现实应用上，中国科学家做出了伟大的贡献，取得了以“墨子号”为代表性的一系列重大成果，诺奖委员会也在新闻发布会和科学背景介绍中提到了很多中国科学家所做的工作。

2月29日，安东·蔡林格携他的首部中文科普译作《光子之舞》，与中国科学院院士潘建伟、北京理工大学教授尹璋琦，开展了一场关于量子信息的对话。

爱因斯坦错了

爱因斯坦最广为人知的成就是提出了相对论，但令他获得1921年诺贝尔物理学奖的，是他提出的光量子假说，这成为了量子力学的基本概念之一。尽管如此，由于对量子力学理论基本框架并不满意，他还是开始质疑量子力学本身的完备性。他和两位同事在1935年发表的一篇著名论文中用“定域实在性”对量子纠缠进行了解释，这与尼尔斯·玻尔等坚持的量子力学认为“量子力学非定域性”完全不同。

尽管两种观点完全不同，但都能够解释量子纠缠观测结果的关联现象，因此这一争论长时间停留在哲学层面。一直将近30年后的1964年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了贝尔不等式，才提供了通过实验检验这两种观点孰是孰非的可能。

从20世纪70年代起，以安东·蔡林格教授等三位诺奖得主为代表的物理学家们开展了大量实验，越来越严格地验证了对贝尔不等式的违背，从而证明了量子力学的正确性。他们也因此获得2022诺贝尔物理学奖。

安东·蔡林格简单解释这项为他赢得诺奖的实验：“诺贝尔奖是颁给我所做的实验的，而实验实际上证实了贝尔不等式的违背，从而开启了一项新技术的研究。证明过程很简单，取两个光子——也就是彼此纠缠的两个粒子——测量结果具有相关性。但我发现，两粒子间没有联系。比如说一边的测量结果，它会影响另一边的测量结果，但结果它们之间没有任何联系，也没有任何信息传输。这最终推翻了所谓的定域实在性世界观。”

潘建伟认为，诺贝尔奖是为了表彰安东·蔡林格在物理学领域做出的两大贡献。首先是认可他对纠缠光子实验的贡献，该实验证明了贝尔不等式的违背，安东·蔡林格和其他两位获奖者作为先驱对此做出了重大贡献；同时它也表彰了量子信息科学的先驱性工作，安东·蔡林格是领军人物，是对量子信息技术这个新兴领域做出贡献的最具影响力的科学家之一。

量子隐形传态：从科幻到现实

《星际迷航》等许多科幻作品都会出现的传送术，往往是先对要传送的物体做一个扫描，在完全了解了它的信息之后，再根据这些信息在远处重建出这个物体。而真实的量子隐形传态传递的是量子态，也就是粒子所携带的量子信息，而不是粒子本身。物理学家并不是让一个粒子在这里消失，在那里出现，而是让一个粒子的状态出现在远处的粒子上。

安东··蔡林格说：“如果我需要定义一个物体的信息，我所需要定义的所有信息，都是通过使用纠缠来完成的，这两个粒子之间的关系是它们作为两个部分纠缠在一起。然后你想要传输的那一个，将它和另一个纠缠在一起，那么量子态就出现一种有趣的现象：它没有被传输，而是在这里消失然后在那里出现。没有发生传输，没有产生关联。因为从某种意义上说，原来的粒子消失了，它失去了自己的属性。”

关于量子信息技术的意义和应用，安东·蔡林格提到量子密码，是唯一一种可以对信息进行由物理定律保证的安全编码的方式，在这个领域，中国已经创下了多项纪录，比如地面到卫星的长距离隐形传态；量子计算，一种基于量子叠加原理的计算机，量子计算是一个巨大的挑战，世界上有很多国家的团队都在试图攻克这一难关，中国的团队是领先的团队之一；量子传感和量子模拟，可以利用单个量子物体的灵敏度来进行测量，这比传统物理学中测量的结果更精确。

潘建伟列举了两个量子信息技术实际应用的例子。第一个是安全电话，根据中国电信提供的数据，量子密话在网用户数量去年已经达到300万。第二个例子是结合人工智能和量子计算，将能够提供一些有用的或强大的工具来解决一些传统的难题，比如量子化学和材料设计方面的一些问题。中科大罗毅教授领导的团队，在研究量子人工智能尝试解决一些量子化学问题，这种方法已经可以用于基础实验。

几年前，尹璋琦和李统藏教授提出了一个理论建议：实现微生物或细菌量子叠加。

当撰写论文的时候，他们意识到，这个理论建议也可以扩展到用于实现两个微生物之间的量子隐形传态，或者说，理论上可以利用量子纠缠可将电子自旋态从一个微生物传输到另一个微生物。从前这是只能出现在科幻小说或者科幻电影中的场景，但他认为未来这是可以实现的。量子隐形传态将会有更多的应用。

安东·蔡林格说：“我们的中国伙伴实现了从地面站到卫星的量子隐形传态，那么隐形传态的意义是什么？理论上你可以在没有发送信息的情况下，将一台量子计算机的输出传输到另一台量子计算机的输入，而如果你用电缆传输就需要密度。还有一点很重要的是，它是独立于时间和空间的，你甚至可以将一些信息隐形传输到过去，这一切真的很神奇。在真正的量子计算机之间建立隐形传态是我们努力的方向，其中包括量子中继器的问题，纠缠交换也在我们的实验之中，这是与建伟进行合作的工作，并且第一次真正意识到，我们可以将量子纠缠连接起来。

诺奖得主与中国学生

潘建伟在1996年留学奥地利，而安东·蔡林格是他的博士生导师。实现量子隐形传态是潘建伟在蔡林格的指导下与同事合作完成的第一个实验工作。

安东·蔡林格强调，在他关于量子隐形传态的实验，以及后来的一些关于多粒子纠缠的实验中，潘教授作为他的小组成员，在这些实验中做出了非常重要的贡献。诺贝尔奖委员会也提到，中国科学家在其中起了非常重要的作用。

1996年，作为一名年轻的优秀的理论学者，潘建伟带着非常棒的推荐信加入蔡林格的团队。刚到因斯布鲁克那天，潘建伟在安东·蔡林格的办公室里见到他，蔡林格坐在椅子上，背对着窗户，窗外可以看到阿尔卑斯山。

蔡林格问潘建伟：“你未来的计划是什么？”

潘建伟说：“我想建一个和您在因斯布鲁克的一样的实验室。”

蔡林格说：“好吧，你还有很长的路要走。”

他首先带潘建伟去了本科生实验室，给他安排了一个大学生作为学习伙伴，然后他向潘建伟展示了如何搭建马赫-曾德尔干涉仪并观察干涉条纹。

几周后蔡林格对潘建伟说：“好，现在你知道如何搭建干涉仪了。”然后蔡林格带潘建伟去见了比吉特•多普费尔，是格雷戈尔•魏斯的妻子，比吉特•多普费尔是潘建伟的第二位导师，跟着她学习了3个月后，他学会了如何产生纠缠光子。

在1996年底，安东·蔡林格通知潘建伟，要做一个新的光子实验，将会有一位新来的博士后迪克•鲍梅斯特加入他们，进行隐形传态的实验。

潘建伟说：“这就是教授如何打造我的整个故事，把我从纯粹的理论学者一步步培养成为实验学者。”

蔡林格解释为什么要培养潘建伟做实验：“我知道这有助于了解要研究的东西的意义，这不容小觑。当你做实验的时候，只知道理论是不够的。做实验需要很多的知识，就像你学习骑自行车一样，不仅仅要了解它的工作原理，你要动起来，在边骑边学的过程中不知不觉就会了。建伟很快就掌握了这些理论，令人印象深刻。”

对于这位已成长为中国量子信息领域领军人的学生，安东·蔡林格说最令他印象深刻的是潘建伟总是很友好、很乐观。“乐观是一个成功的科学家拥有的重要特质，作为科学家，你必须相信你的想法，相信你做的事情是可能的。建伟一直很务实。”

回中国后，潘建伟带领自己的团队也和蔡林格团队有密切的合作，这些年的合作过程中，发生了很多难忘的事。

潘建伟提到了2007年和蔡林格的一通电话。当时他们有一个共同的想法，就是一起做卫星量子通信的实验，蔡林格在推动欧洲航天局的一个项目，中国科学院也在积极布局和推动空间量子科学专项。2007年，潘建伟打电话给安东·蔡林格，说：“我们准备好了，资金也有了，我们可以一起工作了。”

2007年3月，在博尔德举行的美国物理学会三月会议期间，他们在餐厅里进行了面对面交流，确定了双方要一起合作。11年后的2018年，他们终于实现了洲际量子密码通信。在专门举行的量子安全视频会议上，白春礼教授和蔡林格教授讨论了关于实验的一些事宜，许多人表示，这可能被视为未来量子互联网的诞生，潘建伟认为这是也未来量子网络的开端。

安东·蔡林格说令他印象最深刻的一次，是观看“墨子号”卫星发射的时候，他们站在地面上观看，离火箭也就200到300米远，印象非常深刻，至今难忘。对于潘建伟和所有的中国同事一起成功研制了“墨子号”卫星，蔡林格想给予赞许，他认为这非常值得称颂。

全书没有一个公式

安东·蔡林格在他的《光子之舞》一书中，介绍了量子信息这一激动人心的科学突破的始末。本书中解释了实验上的突破，这些突破证明了令爱因斯坦困惑的量子理论的"诡异"方面。这本书充满魅力，通俗易懂，可读性比较强。通过物理学中最复杂和最迷人的领域之一描绘出一条生动的道路，解释清晰，既容易理解，又有科学的完整性。

潘建伟为此书作序推荐，他格外欣赏这本科普书的原因是：“我通读了整本书，没有一个公式，这是本书最为精彩之处。有些科学家会在自己的书中列举很多的公式，但在安东的书中，一个公式都没有。”

安东·蔡林格也说，《光子之舞》这本书是面向所有读者的，不仅是面向某些专业人士，更是面向所有那些对纠缠现象感兴趣、想要一探究竟的读者。

潘建伟回忆起很多年前，他刚到奥地利做演讲的时候，安东·蔡林格对他说“建伟，你要演讲的话题很重要，但在你讲过之后，话题似乎不那么重要了。”这让他体会到了语言的呈现或信息的传达非常重要，这也是他自认一生都应该向安东学习的东西。

潘建伟说：“安东在阐释事实和基本假设方面真的非常精通，这是我们所有的老师、所有的物理学家都应该学习的，尤其对于中国人来说，我们在这方面的培训较少。对我来说，没有公式我就很难讲清楚我的基本理念，我不知道如何用语言来解释这种情况。但渐渐地，现在当我再做演讲的时候，我也开始尝试用更少的公式来更好地表达我的想法。”

安东·蔡林格想对中国读者说：“量子物理学绝对是神奇的，《光子之舞》展示的实验证实了它是多么神奇。本书中的两个学生之间互相探讨，他们就像你们一样，中国的年轻人，相信你们很快彼此成为朋友。”

潘建伟相信很多中国读者会喜欢这本书：“《光子之舞》这本书揭示了量子力学及应用的大部分秘密，年轻人在读这本书时会发现很多乐趣，所以我强烈推荐他们去读这本书。我确信很多人会喜欢这本书，并且最终未来将有更多的科学家或物理学家加入我们的领域。”

来自：中信书院