2022年诺贝尔物理学奖颁给了三位量子信息科学领域的科学家。

2022年诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩克特、约翰·克劳瑟和安东·泽林格，"因为他们进行了纠缠光子的实验，确立了对贝尔不等式的不成立并开创了量子信息科学。"

阿兰·阿斯佩克特、约翰·克劳瑟和安东·泽林格分别利用纠缠的量子态进行了突破性的实验，在这种情况下，两个粒子即使被分开也表现得像一个整体。他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路。

在所有奇特的量子效应中，量子纠缠或许是最令人难以理解的——在通俗读物中，它常常被描述为“两个微观粒子存在某种关联，无论它们距离多远，一个粒子的性质发生变化，另一个能瞬间‘感知’到它的状态从而发生变化。但并没有违反相对论”；这一现象被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”（spooky action at a distance）。爱因斯坦的这句话甚至成了量子纠缠最著名的标语。关于量子纠缠的探索起源于爱因斯坦和两位合作者发表的一篇著名的关于探讨量子力学完备性的论文，后来被称为EPR佯谬。1964年，英国物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）提出了贝尔定理和贝尔不等式，使EPR佯谬成为了一个可以实验检验的问题——量子是非定域性的吗？

本文的原标题是《并不存在什么“幽灵般的超距作用”》（There is no‘spooky action at a distance’），这是因为爱因斯坦是从定域性考虑的，而如果我们认定量子的非定域性，纠缠就不是真正的“作用”，这种反直觉正反映了量子的微观世界和宏观世界的最大差别。数十年来，为了检验量子的非定域性，物理学家在贝尔的基础上找到并填补了各种检测的漏洞，而量子力学一次又一次通过了考验。量子纠缠是存在的，但我们今天仍不能完全理解量子的“本质”。

本文经授权摘自《量子力学，怪也不怪》（Beyond Weird:Why everthing you thought you knew about quantum physics is different，广西师范大学出版社，2022.1），标题为编者所加。

撰文丨菲利普·鲍尔（Philip Ball）

翻译丨丁家琦

我们永远不能忘记这一点：“真实”，同“波”和“意识”一样，也是人造的词语。我们的任务则是学会正确地，也即毫无歧义且连贯一致地使用这些词。

——尼尔斯·玻尔

1．引言

法国科学家Alain Aspect于1981发出了他们用一个高效源提供改进统计精度和做新实验的能力而测得的：在“钙”的放射原子级联中，辐射出的光子的偏振相关性，越出了现实局域理论的整个级别，偏振源分开到6.5 m的观测结果没有明显的改变。他们的结果与量子力学预示的非常一致，强烈地违反推广的Bell不等式。

所谓：“Bell不等式”是判断Einstein根据“物理实在独立于观测者而客观地存在”和“粒子间传递信息不超过光速，不存在超距作用的定域性原理”而与Bohr辩论“量子力学”是否完备的标准。

而这个实验被认为：在特定的情况下，同时向相反方向发射的次级粒子，不管彼此距离多远，都能够彼此互通信息。在一方被影响而改变方向时，双方会同时改变方向。而也许会成为二十世纪最重要的实验。

还激发了一些更为“尖锐”的解释。例如，伦敦大学的物理学家David Bohm相信Aspect的发现意味着客观现实并不存在，尽管宇宙看起来具体而坚实，其实只不过是一个巨大而细节丰富的全息照片（Hologram）般的幻象。

这就提出了一个尖锐的问题：“宇宙究竟是客观现实，或只不过是幻象” ？！

因此，必须对此，认真考查、弄清真相。

A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen, 3人发表在Physical Review 47, p777-780 (15 May 1935) 上的一篇题为： “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?” (量子力学对物理世界的描述能被认为是完备的吗?)的著名文章。所谓：“EPR”一词就是：这篇文章的3位作者名字的头个字母。

在这篇文章中，作者们首先阐述了他们对物理理论的看法： 一个严谨的物理理论应该要区别「客观实体」(object reality) 及对它的运作。客观实体应独立于理论而存在。判断理论是否成功，应问自己两个问题：

(1)理论是否正确? (2) 理论的描述是否完备?

只有这两个问题都是肯定的，这理论才能令人满意。

理论的正确性当由实验来决定。

而此文探讨的主题则是“量子力学的描述是否完备”。

其实，Einstein 一直对量子力学的机率解释感到不满，他曾在写给 Born 的信中提到：“量子力学虽然令人赞叹，但在我的心中有个声音告诉我， 它还不是那真实的东西……我无论如何不相信上帝会在掷骰子!”

检验非定域性的各种漏洞

科学家花了很多年才搞清楚爱因斯坦对EPR“悖论”的推理哪里错了。问题在于，量子力学中看起来稀松平常的常识，背后常常都有问题。

爱因斯坦及其同事做了一个非常理所当然的“定域性假设”：一个粒子的属性只局限在这个粒子上，而此处发生的事情必须经过在空间中的传播才能影响彼处发生的事情。这看起来完全不言自明，根本不像个假设。

然而量子纠缠颠覆的，恰恰是这种定域性，这也是为什么用“幽灵般的超距作用”这种角度来看待它完全错误。我们不能把EPR实验中的粒子A和粒子B看作相互分离的两个实体，哪怕它们在空间上是分离的。在量子力学中，纠缠让这两个粒子变成了同一物体的不同部分。或者换句话说，粒子A的自旋并不仅仅位于A这里，就像一个板球的红色局限在这个板球上那样。在量子力学中，属性可以是非定域性的，只有先接受了爱因斯坦定域性假设，我们才需要说对粒子A的测量结果会“影响”粒子B。量子非定域性的整个观念都与此不同。

其实，我们在这里讨论的，其实是另一种量子叠加态。叠加态指这样一种情形：对量子物体的测量可能产生两种或更多的可能结果，但我们在测量之前不知道结果会是哪个，只知道它们各自出现的相对概率。纠缠是同一个思想，只是应用在了两个或更多的粒子上：粒子A自旋向上同时B自旋向下，与正好相反的布局，两种状态的叠加。两个粒子虽然彼此分离，但一定仍然由同一个波函数来描述。我们不能把这个波函数拆解开，成为相互独立的两个粒子波函数的某种组合。

量子力学可以眼都不眨地轻易接受这种观念：写下它的数学公式就好了。问题在于如何形象化地说明其意义。

1964年8. J. Bell 在Physics I 上发表了“On the Einstein Podolsky Rosen paradox”的文章。与Einstein类似地设计了一个理想实验，装置 A、B两个探测器，测量两个单态(singlet state)的自旋1/2粒子a, b, c，3个任意不同方向的自旋分量。（此前，1951 年，已有Princeton 大学教授David Bohm 提出了两个探测器，测量两个单态(singlet state)的自旋1/2粒子必然彼此相反，或相互垂直自旋分量的类似理想实验），而能推导出了一个不等式，即所谓：“Bell不等式”。说明了定域性隐变量理论的相关性(correlation)和量子力学是不同的。

指出任何企图保持Einstein定域性原则的隐变量理论都将不能和量子力学相容。这就是著名的Bell 定理。

后来Bell及其后继者都曾改进并推广这个不等式。J.F.Clauser 及M.A.Horne 等于1969 年改进并推广了Bell 不等式。他们的方案是利用光子对的偏振(polarization)相关性。并提出了可行的实验，检验Bell 不等式。其它如E.P.Wigner,A.Shimony,H.P.Stapp 等人也都相继提出了类似的不等式。

而所谓Bell不等式已是此类不等式的通称。

实验证明符合量子力学的结果

1976年Clauser重复1973年Holt和Pipkin的这个实验，而和Holt及Pipkin相同得到违背量子力学的结果。但是Clauser发现在实验装置中一个装有电子枪和汞蒸气的Pyrex（一种耐热玻璃）球壁上有不正常的应力。在修正此项错误之后就得到了符合量子力学的结果。也就是，已经按Bell 不等式，实验证实了量子力学的的正确性。

1981年Alain Aspect测得：在“钙”的放射原子级联中辐射出的光子的线偏振相关性。与量子力学非常一致，偏振源分开到6.5 m的观测结果没有明显的改变。

1997年，由日内瓦大学Nicolas Gisin所领导的研究人员证明被扰乱的成对光子，即使经由光纤网路送到相距10公里外村庄中的两组探测器中，相距如此遥远的光子已违反贝尔不等式至少9个标准误差

1998年10月，在巴尔的摩所举行的美国光学协会会议中，Los Alamos美国国家实验室的Paul Kwiat和他的 同事们宣布他们建立的一个混乱光子对的超亮光源，在少于3分钟的时间内，得到违反贝尔不等式242个标准误差的结果。

同时，由Anton Zeilinger所领导的因斯布鲁克大学的研究组将探测器相距400公尺远，且以任意的速度，得到违反贝尔不等式30个标准误差。

可见，这些实验都充分证明了量子力学的的正确性。特别是，证实了微观粒子之间存在着所谓：“量子纠缠”（quantum entanglement）。即在量子力学中，有共同来源的两类微观粒子之间存在着某种纠缠关系，不管它们被分开多远，都一直保持着纠缠的关系，对一类粒子扰动，另一类粒子（不管相距多远）就有确定关系的相应扰动。