是少數派的寫作社區，我們主張分享真實的產品體驗，有實用價值的經驗與思索。我們會不定期選購最優質的文章，展示來自用戶的最真實的體驗和觀點。
文章代表作者個人觀點，少數派僅對標題和排版略作更改。
美國時間10月4日下午，諾貝爾獎委員會宣布2022年諾貝爾化學學獎授予阿蘭·阿斯佩克特(Alain)、約翰·克勞瑟(JohnF.)和安東·澤林格(Anton)，以嘉獎她們「進行了糾纏光子的實驗，確立了對貝爾不方程的不創立并開創了量子信息科學」。阿蘭·阿斯佩克特、約翰·克勞瑟和安東·澤林格分別借助處于互相糾纏的量子態進行了突破性的實驗。在這些情況下，兩個粒子雖然被分開也表現得就像一個整體。她們的成果為基于量子信息的新技術掃清了公路。
——摘自諾貝爾化學學獎官方新聞稿
說實話，在諾貝爾獎委員會即將宣布量子糾纏相關的成果得獎后，我立即就意識到，互聯網上很快還會參雜著各類針對量子糾纏以及量子世界的神秘性相關的科普。這種科普，無論是原創的還是東拼西湊的，無論是專家學者起草的還是各路內容流水線上生產的，都有一個共同的特點：它們常常都喜歡加強量子化學的神秘性和不可理解。
我承認，歷史上確實有那么一段時間，雖然是20世紀早期這些鼎鼎大名的化學學家，都曾為量子相關的化學現象倍感疑惑。但是，經過一百多年的發展，量子化學的眾多核心概念早就被一代又一代的化學學家里里外外省玩了個遍，以至于許多被科普畫家渲染得神乎其神的概念，現正躺在化學系專科生的選修課教材里。
其實，量子熱學有它反直覺的地方。并且，現實生活中反直覺的事情還少嗎？反直覺并不意味著神秘或不可理解。它只是須要你屏蔽你的許多生活常識，用絕對的理智來思索問題。所以，這篇文章會和你讀過的絕大部份科普不同，我不會把量子化學渲染得神秘又神妙——那是玄學家喜歡干的事，科學家只會把事情越講越清楚。
如今，你可以找個偏僻的角落，跟隨我的節奏，我們的旅程即將開始。
實在性與隱變量
「如果沒人看著月亮，它就會在哪里嗎?」在一次閑時遛彎中，知名化學學家愛因斯坦發出了這樣的疑惑。
這個問題看上去好像非常荒謬。但是，它所影射的，是困惑了化學學家數六年之久的量子化學中的檢測問題。許多文獻常常喜歡把愛因斯坦渲染為量子熱學的反對者。但實際上，愛因斯坦未曾反對過量子力學——甚至他本人就是光量子(,現常簡稱光子)學說的提出者。
只是在與量子檢測相關的問題上諾貝爾物理學獎2023量子糾纏啟發，愛因斯坦所持的觀點與許多其他化學學家不同。檢測是化學學中特別基本的概念之一。在精典宏觀化學中，檢測一般是某種得知研究對象化學量的過程。這個過程一般包括用某種微觀粒子和被測物體進行互相作用，但是觀測這種微觀粒子在互相作用后的狀態。
比如，我們想要檢測一個被拋出的足球所在的位置。我們可以打開一盞燈，向四周發射光子。光子在與足球相遇后發生反射。被反射的光子步入單反，于是我們便曉得了這個足球的位置。在這樣的宏觀檢測過程中，用于檢測的媒介，即光子，是一種微觀的、能量極低(相比于足球這些宏觀物體而言)的粒子。因而，檢測過程對于被測物體的影響是可以忽視不計的。
但是，對于量子化學所統治的微觀世界來說，事情可就沒那么簡單了。
假如我們如今想要曉得的不是一個足球，而是一個電子()所在的位置，我們尚且可以故技重施，用光子作為媒介去偵測。不過，因為電子是一個質量極低的微觀粒子，用于檢測的光子一旦和它發生互相作用，將無可防止地干擾到這個電子所處的狀態。這就造成了一個問題：我們確實可以曉得經過檢測后電子的位置。
不過，因為檢測過程本身會影響電子的狀態，我們怎么能曉得這個電子在檢測之前的位置呢？這個問題直至現今仍是一個無解的問題。由于任何檢測手段都無可防止地要使用某種檢測媒介去和被測物體發生互相作用，而在微觀下，這些互相作用也無可防止地要影響被測物體的狀態。所以，無解。而這個現實又帶來了新的問題：假若我們沒法曉得這個電子在被檢測之前的位置，這么這個電子在被檢測前，它還存在嗎？或則起碼，它還擁有「位置」這一屬性嗎？
這就是量子化學中的實在性()疑難。以化學學家玻爾(NielsBohr)與海森堡()為代表的赫爾辛基()學派覺得，因為檢測前的電子位置難以定義，所以在被檢測前，電子并不擁有「位置」這一屬性——也就是說，是檢測這一過程賦于了電子「位置」這一屬性。
而以愛因斯坦()、波多爾斯基(Boris)和羅森(Rosen)為代表的隱變量()學派則覺得，「位置」這一屬性仍然都存在，只是在檢測前，它屬于一種「隱變量」，難以被得知而已。很長一段時間這些爭辯都只存在于哲學層面；直至1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森兩人合作發表了一篇論文，論述了一種被后人稱為EPR佯謬(EPR,EPR為兩人姓氏首字母)的化學機制，才將這些爭辯推動到了化學層面。
定域性與量子糾纏
在作更深入的闡述前，我們須要曉得一個重要概念：載流子(spin)。載流子是微觀粒子的基本屬性之一。
假如你看過我們之前的低溫超導系列科普，你應當并不會對載流子這個概念倍感陌生。電子、光子都有載流子。在宏觀上，光子的載流子帶來了光的偏振光效應。攝影師常借助偏振光效應過濾玻璃或海面的反射。載流子原則上可以朝向三維空間中的任意一個方向。在選取某個方向后，我們可以對粒子的載流子進行檢測，得到的結果只有兩種：載流子向下(spin-up)，記為+1，代表檢測得到的載流子與預設方向相同；載流子向上(spin-down)，記為-1，代表檢測得到的載流子與預設方向相反。
在粒子衰變過程中，載流子須要滿足一定的組合規則。一個常見的反例是π?介子衰變為一個電子e?(下稱A粒子)和一個正電子e?(下稱B粒子)的過程。π?介子是載流子為0的粒子；因而，衰變后的電子和正電子的載流子只能是一個向下一個向上，能夠保證反應前后整體載流子為0。并且，這條規則并沒有規定具體是那個粒子向下那個粒子向上。也就是說，存在兩種可能性：A上B或則A下B上。
同時，實驗觀測告訴我們，這兩種可能性發生的機率各為50%。所以，我們發覺，假如單獨看A(或則B)時，我們只會發覺有50%的機率測得載流子向下，也有50%的機率載流子向上；并且，假如對比A和B，則會發覺它們的結果永遠是相反的——也就是說，A和B的檢測結果存在高度的關聯。這些現象即被稱為量子糾纏()。
圖1π?介子衰變為一個電子e?和一個正電子e?
在1935年的論文中，EPR企圖借助量子糾纏來論證赫爾辛基學派的演繹與狹義相對論的定域性存在矛盾。她們的邏輯是這樣的：假定我們引導衰變得到的A、B粒子運動到相距很遠的兩個位置；此時，我們僅對A粒子進行檢測，我們會得到一個結果，例如是載流子向下；而在我們完成檢測的頓時，依據量子糾纏的關聯性，我們立刻曉得B粒子處于載流子向上的狀態。
若果依照奧斯陸學派的演繹，這個載流子的狀態是在檢測的頓時才被賦于的，這么在A粒子通過檢測被賦于載流子向下的狀態時，在距離很遠的B粒子也同時會被賦于載流子向上的狀態。這也就意味著，A和B之間必然存在某種「瞬時傳遞的超距作用」。而這些「超距作用」則是被狹義相對論所嚴禁的——狹義相對論要求互相作用傳遞速率不能趕超光速，也即所謂的定域性()。
而用隱變量學派的演繹則不會碰到這個問題。按照隱變量演繹，A、B粒子的載流子狀態早在π?介子發生衰變的那一刻起就決定了，而后續的檢測只是讓我們獲知這一狀態而已，因此不須要A、B之間存在哪些特殊的互相作用。
這套邏輯是隱變量演繹的一個強有力的支持。其實，奧斯陸學派也并非不堪一擊。她們強調A和B之間的檢測結果僅僅是具有關聯，而產生關聯并不須要互相作用來傳遞信息。從單純的理智角度看，這個「辯解」是邏輯上合理的。但是，從數學直覺上看，還是隱變量展現愈發令人信服。于是在1935年以后的很長時間，兩大展現還是爭吵不下。直至1964年，化學學家貝爾(JohnBell)提出了知名的貝爾不方程(Bell)，才最終讓實驗一錘定音。
貝爾不方程與CHSH不方程
貝爾不方程原指化學學家貝爾于1964年提出的一個不方程；但是，隨著時代的發展，現現在貝爾不方程一般指代一系列量子熱學不滿足而隱變量理論滿足的不方程。1964年原版的貝爾不方程闡述上去比較復雜，實驗上也不容易實現。為此，我們一般會采用1969年由克勞瑟(JohnF.，也就是去年獲得諾貝爾獎的這位)、霍恩(Horne)、希莫尼(Abner)與霍爾特(Holt)共同探討的CHSH不方程(CHSH,CHSH為兩人姓氏首字母)。
接出來的闡述可能會有一定的難度和思索量。你可能會須要多讀幾遍。不過我保證它一定是可以被正常理解的。
CHSH不方程的核心在于，我們可以對A粒子檢測某一方向上的載流子，而對B粒子檢測另一個方向上的載流子。基本的實驗設定如圖2所示。我們可以分別在廣東和廣州設置一個載流子檢測儀器。山東的儀器可以檢測方向A?和方向A?的載流子，上海的儀器可以檢測方向B?和B?的載流子。A?、A?、B?、B?相互錯開45°，如側視圖所示。而且在它們之間的某處放置一個π?介子放射源。π?介子發生衰變后，引導電子(A粒子)飛往廣東的檢測儀器，引導正電子(B粒子)飛往上海的儀器。四川在接受到A粒子后，隨機選擇A?或A?方向進行檢測，并記錄結果。同樣，上海隨機選擇B?或B?方向進行檢測，并將結果除以-1自序錄。將這一過程重復多次，直至我們可以進行統計。
圖2CHSH測試的基本設定
接出來我們要估算下邊這個量：
乍一看有點懵，不過別著急，我們漸漸解釋。首先，這個尖括弧??表示取平均值的意思，所以?A?B??指的就是估算A?乘B?，并取平均值。其它的部份以這種推。從第一行到第二行我們使用了加法分配律。
我們先從隱變量理論的角度來看這個問題。因此，我們主要關注里面公式的第二行。首先，A?、A?、B?、B?分別都只能取+1或-1這兩個數值。這樣一來，B?+B?只可能是±2或則0。我們分情況討論。首先考慮B?+B?=±2的情況。此時B?-B?=0(由于假如B?+B?=±2，這么只可能B?=B?=+1或B?=B?=-1，此時B?-B?=0)，因而第二項消失。第一項中，A?=±1，B?+B?=±2，所以取平均后-2??A?(B?+B?)??2，也即-2?C?2。類似的邏輯，當B?+B?=0時，第一項消失，同時B?-B?=±2。此時第二項中，A?=±1，B?-B?=±2，取平均后-2??A?(B?-B?)??2，也即-2?C?2。我們發覺，無論是那個情況，都有
這就是我們的CHSH不方程。假如隱變量理論創立，這么這一不方程就必須創立。
接出來我們再來看量子熱學(根據赫爾辛基演繹)給出的結果。量子熱學的預測十分簡單，假如我們對A檢測方向X的載流子，對B檢測方向Y的載流子(而且對結果除以-1)，這么我們有
其中θ是方向X和Y之間的傾角。從圖2中可以見到，A?與B?、A?與B?、A?與B?的傾角均為45°，而A?與B?的傾角為135°。為此，我們可以很容易用前述公式的第一行算出量子熱學的結果為
我們發覺量子力學給出的結果是違背了CHSH不方程的。這樣一來，到底那個結果是正確的，就可以交由實驗來決定。
CHSH不方程的實驗驗證
上一小節闡述的CHSH測試是十分潦草的。實際操作的難度比闡述上去要高上千倍萬倍還不止。緣由是，一個有效的實驗驗證須要極高的精度，否則都會留下一些「漏洞」。例如，對A粒子和B粒子的檢測須要高度的同步，它們之間的偏差常常要達到毫秒級(0.秒)，否則就難以排除某種未知的、以光速傳遞的訊號影響到A、B粒子間狀態的可能性——這被稱為定域性漏洞()。又如，我們的檢測儀器對粒子的偵測效率并不是100%，有可能會有一些粒子抵達了儀器但卻并沒有被偵測到；這會對我們的統計導致負面影響——這被稱為偵測漏洞()。再如，我們的重復實驗可能會造成后續的實驗遭到原本實驗的影響；換句話說，前一次實驗可能會在儀器上留下個別「記憶」，因而影響到后一次實驗的結果——這被稱為記憶漏洞()。
在貝爾不方程被提出后的幾六年里，無數實驗化學學家設計了各類五花八門的實驗裝置來關掉(close)這種漏洞。其中，阿斯佩克特(Alain，去年的諾貝爾獎得主)于1981至1982年間設計了一系列精致的實驗，初步否認了CHSH不方程被實驗所違背。澤林格(Anton，去年的諾貝爾獎得主)于1998年率領團隊借助超過400米的實驗裝置，徹底關掉定域性漏洞，實驗結果偏離CHSH不方程的上限超過30個標準差，因而基本否定了隱變量理論。2015年，來自德國德爾夫特、奧地利維也納以及日本佛羅里達波得的研究團隊，在三個月內先后發表她們關于「無漏洞」(-free)貝爾測試的實驗結果，以幾乎無可爭議的方法徹底否定隱變量理論。
在此以后，又有人提出，我們在隨機選擇A?或A?方向，以及B?或B?方向中，使用的是計算機生成的偽隨機數。這有可能給實驗帶來影響。于是，2016年，化學學家們發起了一項小型實驗——大貝爾測試(bigBelltest)。她們在網路上向全球公開征集了超過10萬名志愿者，讓她們在過關游戲中快速隨機地按下0或1，因而借助那些志愿者的自由意志來作為隨機性的來源。當時還在讀大二的作者也有幸目睹了這一盛況。實驗結果再一次明顯違背貝爾不方程。
這種對各種貝爾不方程的測試不僅幫助我們否定隱變量理論外，也催生出了新一代以量子糾纏為基礎的量子技術。諸如，我們如今早已有特別成熟的用于制造糾纏粒子的裝置。糾纏粒子的高度關聯性使它們成為了完美的對稱性秘鑰生成器，借此為基礎的量子通訊與量子密碼具有以量子理論為背書的絕對保密性。
同時，糾纏粒子具有打開時空蟲洞的能力，我們早已就能借助它對微觀粒子進行「瞬間聯通」(詳見開端科普)。我們難以預計哪些時侯它才能被用于傳送宏觀物體，其實永遠不能，其實就在我們有生之年，誰曉得呢。與我們遇見的其它任何化學現象都不同，量子糾纏的概念十分反直覺，這帶給我們許多困擾，但同時也帶來了許多希望——正是由于它不同，正是由于它新奇，才讓我們對未來飽含想象。
>下載少數派2.0顧客端、關注少數派公眾號諾貝爾物理學獎2023量子糾纏啟發，解鎖全新閱讀體驗
>實用、好用的正版軟件，少數派為你呈現