在數(shù)學(xué)學(xué)領(lǐng)域，量子理論是由一群知名化學(xué)學(xué)家在20世紀(jì)的頭30年里構(gòu)建的。量子理論描述了分子、原子和亞原子尺度上的一系列現(xiàn)象。
明天，量子理論的一些應(yīng)用早已滲透到我們生活的方方面面，但我們對它的理解并不完整。許多量子現(xiàn)象其實(shí)與常識(shí)或日常經(jīng)驗(yàn)背道而馳，這除了經(jīng)常讓大眾認(rèn)為無法理解，也讓化學(xué)學(xué)家和科學(xué)哲學(xué)家倍感欣慰。
量子理論的一些反直覺現(xiàn)象與它的機(jī)率性質(zhì)有關(guān)。一般，化學(xué)學(xué)家是不能對單個(gè)檢測的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行預(yù)測的，只能判定化學(xué)系統(tǒng)的可能檢測結(jié)果的機(jī)率。
非定域性
在量子化學(xué)學(xué)中，一個(gè)極具挑戰(zhàn)的概念是非定域性（）。非定域性是愛因斯坦（）對量子化學(xué)學(xué)的機(jī)率性提出異議的一種回答。在1935年發(fā)表的一篇影響深遠(yuǎn)的論文中，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris）、羅森（Rosen）對量子理論的完備性提出了指責(zé)。在這篇論文中，為了證明量子熱學(xué)和定域性（）之間的沖突，她們提出了一個(gè)現(xiàn)在被稱為EPR佯謬的思想實(shí)驗(yàn)。
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)形成了量子糾纏的概念，表明若想要合理化糾纏形成的個(gè)別非精典的相關(guān)性，遙遠(yuǎn)的量子系統(tǒng)必須能即刻交換信息，例如當(dāng)檢測糾纏系統(tǒng)中的一個(gè)粒午時(shí)，雖然另一個(gè)粒子遠(yuǎn)在宇宙的另一端，檢測結(jié)果雖然也會(huì)穿過空間，立刻對其形成影響。但是依照狹義相對論，這是不可能的。
對此，她們的推論是，這個(gè)佯謬是由量子理論的不完備造成的，并覺得這些不完備性可以通過定域隱變量來糾正量子物理知識(shí)點(diǎn)，使量子化學(xué)學(xué)與精典化學(xué)學(xué)一樣具有確定性。而這些被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”的糾纏現(xiàn)象，仍然是量子理論測試的主要焦點(diǎn)，也已成為量子信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)。
1964年，美國化學(xué)學(xué)家貝爾（JohnBell）重新考量了EPR的觀點(diǎn)，提出了一種物理方式描述，證明了量子系統(tǒng)可以是非定域的。通過比較兩個(gè)糾纏粒子的檢測結(jié)果，他用貝爾定律表明，粒子之間的強(qiáng)相關(guān)性不可能用定義每位粒子各自屬性的定域隱變量來解釋，糾纏對中包含的信息必須在粒子間非定域共享。這些難以被任何定域理論重現(xiàn)的強(qiáng)相關(guān)性的屬性，如今被稱為貝爾非局域性。
2022年，阿斯佩（Alain）、克勞澤（John）和塞林格（Anton）就因在實(shí)驗(yàn)中觀察到貝爾非定域性以及其他相關(guān)成就，而獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
隱喻性
另一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的看法則顯然指向了相反的方向，那就是隱喻性（）。隱喻性說的是，量子物體的檢測結(jié)果取決于“與境”（）。而與境指的是圍繞一個(gè)風(fēng)波的所有細(xì)節(jié)，它能為我們提供更多關(guān)于發(fā)生了哪些以及怎么發(fā)生的信息。
舉例來說，當(dāng)你去車庫時(shí)，會(huì)聽到停在哪里的是一輛車，而不是一只矮馬。在停車位上停著一只矮馬是很不尋常的事，對嗎？假如你搬去大都市中，這么的確是這樣；但若果你搬去安第斯山脈的牧場上，可能就不會(huì)不尋常了。你所在的地方就是你的與境，它為一只矮馬停在車庫里這一基本風(fēng)波賦于了意義。
類似地，在數(shù)學(xué)學(xué)的檢測中，這些隱喻性描述了觀測的細(xì)節(jié)會(huì)怎樣或是否會(huì)影響被觀測的內(nèi)容。這意味著檢測結(jié)果可能取決于我們怎樣進(jìn)行檢測，或則我們選擇了哪些樣的檢測組合。諸如在檢測粒子的特點(diǎn)時(shí)，與其覺得這種特點(diǎn)具有固定的值，不如將它們視為語言中的詞組，其涵義可以根據(jù)與境而變化。
量子熱學(xué)未能告訴我們，當(dāng)我們沒有在觀測時(shí)，如電子等量子粒子都在做些哪些。一個(gè)能提供更多信息的理論，其實(shí)能讓我們對這種粒子在任何時(shí)侯都在做哪些有一個(gè)完整的了解，而且能夠告訴我們可檢測的量的值，例如動(dòng)量或載流子，雖然我們沒有企圖去檢測它們。
精典的牛頓熱學(xué)就是一個(gè)具有這種特點(diǎn)的理論。精典粒子有著具體的位置和速率，當(dāng)我們沒有在觀測它們的時(shí)侯，也曉得它們在做哪些。科學(xué)哲學(xué)家稱這些特點(diǎn)為確定性，由于可檢測的量是具有確定的值的。這么，量子熱學(xué)中是否存在一個(gè)“確定的”理論？一個(gè)能告訴我們關(guān)于電子的一切的理論，并提供與量子熱學(xué)實(shí)驗(yàn)相同的預(yù)測？
1967年，科亨（Simon）、施佩克爾（Ernst）提出，一個(gè)量子系統(tǒng)不可能擁有能在所有的可能性下定義其所有屬性值的隱變量。這在后來被稱為科亨-施佩克爾定律，它表明一個(gè)可以拿來描述量子粒子到底在做哪些（雖然我們沒有在觀測）的理論，必將是隱喻的。換句話說，一個(gè)電子的速率和載流子的值，必須以某種形式取決于我們怎么檢測它們。??????
大概在同一時(shí)間，貝爾也發(fā)覺了類似的結(jié)果，表示任何能重現(xiàn)量子化學(xué)學(xué)預(yù)測的隱變量理論都必須表現(xiàn)出隱喻性。
新研究
非定域性和隱喻性是隨著量子理論一齊出現(xiàn)的，但幾六年來，它們各自獨(dú)立發(fā)展。2014年，有科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)與一個(gè)特殊案例有關(guān)的研究。她們在一個(gè)量子系統(tǒng)中，發(fā)覺只能觀察到非定域性和隱喻性的其中一種。這一發(fā)覺后來被稱為單配性（）。
科學(xué)家猜想，非定域性和隱喻性是以不同形式觀察到的相同的通常行為的不同面。但是，一項(xiàng)由中國和澳大利亞科學(xué)家舉辦的研究表明，無論從理論上還是實(shí)驗(yàn)上，事實(shí)都并非這么。她們證明了這兩種現(xiàn)象是可以在量子系統(tǒng)中同時(shí)觀察到的。
這個(gè)幾何圖形表示實(shí)驗(yàn)中所有檢測值之間的兼容關(guān)系。每位檢測值由一個(gè)頂點(diǎn)表示。由邊聯(lián)接的頂點(diǎn)表示兼容的檢測值。“觀察者A”（紅點(diǎn)）的兩個(gè)檢測值與“觀察者B”（藍(lán)點(diǎn)）的所有檢測值兼容。B的檢測值的兼容性在這兒用淺黃色的七邊形表示。2×2的兼容檢測集是聯(lián)合兼容的。(圖//)
這項(xiàng)新的研究明晰地表明，量子化學(xué)學(xué)與精典數(shù)學(xué)學(xué)的兩種不同的基本形式可以在同一系統(tǒng)中同時(shí)觀察到，這與一般的想法相反。為此量子物理知識(shí)點(diǎn)，非定域性和隱喻性似乎不是同一現(xiàn)象的互補(bǔ)表現(xiàn)。
實(shí)際上，非定域性是量子加密的重要資源，而隱喻性是特定量子估算模型的基礎(chǔ)。在同一系統(tǒng)中同時(shí)擁有三者的可能性，可以為新的量子信息處理和量子通訊合同的發(fā)展鋪平公路。
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：
撰文：小雪
排版：雯雯