爱因斯坦,错了!
爱因斯坦一定想不到,都已经2022年了,他还会被诺奖“阴”一把。
最新的诺奖物理学奖,已经在昨天颁布。就在开奖前一个小时,诺奖官方推特发布了爱因斯坦一条“名人名言”,他是这么说的:“我反复地思考好几个月、好几年,99次的结论都是错的,但是第100次,我成功了”。
全球目光聚焦之际,诺奖提这干嘛?真叫人摸不着头脑。
一个小时后,真相大白。
昨天下午5时40分左右,诺奖官宣,今年的物理学奖授予给阿兰·阿斯佩(Alain Aspect )教授、约翰克劳瑟(John F. Clauser)教授、 塞林格(Anton Zeilinger)教授,以表彰他们“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式,开创了量子信息学”。
阿兰·阿斯佩(Alain Aspect )教授、约翰克劳瑟(John F. Clauser)教授、 塞林格(Anton Zeilinger)教授获2022年诺贝尔物理学奖
这就说得通了。因为“验证量子不遵循贝尔不等式”,就如爱因斯坦所说的,是经历了“99次错误”的过程。它涉及到我们对量子纠缠的基本理解,简单来说,我们对量子纠缠现象的理论解释,是完备的、还是有所疏漏的?
这个争论持续良久,不是“好几个月、好几年”,而是持续了几十年(63年)。
一直到1998年,物理学家、今年物理奖得主之一的Zeilinger完成了贝尔定理实验,才终于决定性地证明了“量子不遵循贝尔不等式”。这个过程的回顾,我们留给后文。
那么,诺奖的推特发言,意义就很明显了:一个研究取得成功,要经过长时间、反复的思考。爱因斯坦是对的。
“尴尬”的是,在今年的获奖成果上,爱因斯坦是“99次错误”的发起人之一,而走到“第100步”的人,不是他啊。
爱因斯坦:别CUE
爱因斯坦为什么犯错?要回顾这一段历史,我们得简单地理解一点量子理论。
虽然在今天,量子力学已然是理论的高峰,但是在发展的早期,它可不受传统物理学家们的待见。
要解释的是,此处的“传统”不是指固步自封、拒绝新知识,而是代指物理学科的一种传统精神。这种精神认为,大自然乃至宇宙,因为是造物主的杰作,所以支配它的规律一定是简单的、和谐的,因为“上帝不做无用的功”。
最典型的例子,莫过于牛顿三大定律,在当时看来,宇宙浩渺广博,却受到一组简单公式的支配,这就是“理性之美”。
然而量子学说的出现,偏偏打破了这一派和谐。
路德维希·普朗克,德国物理学家、量子力学的重要创始人之一
量子的“诡异”,到今天也被人津津乐道。它是可以处于叠加态的,典型如“薛定谔的猫”,在生与死两种状态之间,猫可以是活的,可以是死的。这会让提出物质“第一性质”的笛卡尔泪流满面。
更令“传统精神”感到诧异的,是对量子的测量问题。在量子没被测量之前,它处在叠加态之中,物理量的值有诸多可能。但是,当我们选定基组测量后,只能得到一个结果,而且此时的量子“经典化”了、不再处于叠加态。“火上浇油”的是,测量得到的结果是概率分布的,这就是说,单次测量的结果无法预知。
看不见、测不出……量子的物理量特点,对传统物理理论的颠覆可想而知。
不过,自然科学的可贵,就在于它是尊重事实的。物理学科中,每当理论出现不符实际的情况,就称为“危机”,而研究者的任务是“拯救危机”。拯救的结果是未知的,但一门学科的新发现,大多由这些成败中来。
爱因斯坦也是“规律应当简单、和谐”的理想主义者(他用相对论拯救了力学体系),于是在1935年,他对量子学说开刀了。
1935年,爱因斯坦与其在普林斯顿的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen,提出一个思想实验,就是著名的EPR佯谬。
工作中的爱因斯坦
他们瞄准“量子纠缠”的特性。这个实验假定了两个例子、它们处在纠缠态,那么根据量子学说,这两个粒子在被观测时,一旦确定一个粒子的状态、就无需观测地获知另一个粒子的状态。
他们假定,将两个粒子在空间上分开,分得任意远,那么在测定一个粒子状态时,根据量子学说,观测者也能迅速确定另一个粒子的状态。
问题出现了:两个粒子分开很远,那么,未被观测的粒子,是如何获知另一个粒子的状态的?而且,这个粒子“获知”消息的速度太快,超过了光速,不符合狭义相对论。这就是“鬼魅般的超距作用”。
据此,爱因斯坦认为,量子学说是不完备的,一定有什么别的“变量”被我们疏忽了。
抵达“第100次”
“EPR佯谬”发表之后,量子力学的奠基人之一玻尔坐不住了,他与爱因斯坦开始激烈辩论。
大佬的争锋,本文不作过多涉及,只是需要知道,爱因斯坦与玻尔当时的争论,只能停留在哲学层面,谁也不能说服谁。
一个有趣的事实是,今年物理奖得主之一的Clauser,在1967年了解“贝尔不等式”之后,发现了对于争论的实验验证方法。但他的导师告诉他,不要浪费时间在这种哲学问题上。
不过Clauser是正确的,这场争论的“救赎之道”就在于贝尔不等式。
当地时间2012年6月7日,德国卡塞尔,当代艺术文献展的预展上,奥地利量子物理学家安东·塞林格在黑板上写着一个量子比特
“贝尔不等式”是一个挺绕的事儿。简单来讲,它是由英国物理学家贝尔在1967年提出来,而贝尔从中发现,“EPR佯谬”中两个粒子的值,在被测得之前是确定的。这种“物理实在”的观点,就称为局域实在论(或定域实在论)。
而从局域实在论的观点出发,贝尔发现,EPR佯谬中两个粒子的某些物理量关联必然小于等于2,这就是贝尔不等式。
因之,贝尔将“大佬”之间哲学的争辩,变成可做实验证明或证伪的一个科学理论。要注意,违反这个不等式,才意味着量子力学的胜利。这事儿就是“绕”在这里。
到这一步,今年物理学家的三位教授就该出现了。他们一步步地严格证明、验证了量子不遵循贝尔不等式。
1972年,John Clauser完成第一次贝尔定理实验。1982年,Alan Aspect等人改进了Clauser的实验。没有意外地,他们都取得了违反贝尔定理的实验结果,不过,仍有漏洞未排除。
1998年,Anton Zeilinger等人彻底排除定域性漏洞,完成贝尔定理实验。这些实验都表明,在很高的置信度下,量子力学不遵循贝尔不等式。量子力学赢了。
Anton Zeilinger等人用黑白小球的实验证明量子力学是正确的(图源:诺贝尔奖官网)
爱因斯坦的“EPR佯谬”被攻破,这也意味着,量子在被观测前的物理量客观确定——这一“局域实在论”的观点告破。人类的认识又一次进步。
历史就是这样“幽默”。回顾这63年的过程,“EPR佯谬”本是用来驳斥量子学说的一个实验,但是,由它开辟的道路之下,却使得量子学说得到了实验上的和数学上的严格证明。
爱因斯坦这一错,错得不坏。
“第100次”之后是什么?
文章写到这里,实际只涉及了今年物理奖颁奖理由的一半,另一半则是“开创了量子信息科学”。
理论被证明了,其应用也势必要搞起来。“量子纠缠”乍看下的玄乎,更是充满科幻色彩。
1997年,Zeilinger发表了论文《实验量子隐形传态》(Experimental Quantum Teleportation),就是用量子纠缠的特性,实现了“传送术”。他们把一个光子的极化态(偏振),通过量子纠缠,传送到远处的另一个光子上。
量子纠缠(图源:诺贝尔奖官网)
值得一提的是,这篇论文的第二作者,正是我国中科院院士潘建伟。当时,潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学读博士,Zeilinger是他的导师。
今年诺奖颁奖后,潘建伟告诉媒体,在这些(获奖的)研究工作中,中国科学家也作出了重要贡献,“颁奖委员会提到了我导师安东·塞林格的四篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者,两篇文章的第二作者。”
诺奖委员会尤其提到的,就是量子隐形传态的研究,以及对多量子纠缠态的特性利用。
“越来越明显的是,一种新的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者对纠缠态的研究非常重要,甚至超越了解释量子力学的基本问题。”诺奖颁奖词中如此写道。
纠缠态的研究,为什么“非常重要”?这就涉及到它的一大应用、同时也是诺奖提到的量子信息科学的“重头戏”:量子计算机。
谷歌的量子计算机
我们对比来看,在如今,普遍使用的是经典计算机,它的最小单位是逻辑电路中的“开关”,一个开关就是一个比特。我们知道,一个比特可以表示为1或0,1是开关开启,0是开关关闭。因此,计算机就是在二进制语言下的一台超级计算器。
量子计算机最核心的改变,就是用“量子比特”代替比特。那么,由于量子比特存在的叠加态特性,一个量子比特能够表示更多信息,所以,量子计算机具有一定优越性。
不过,“量子计算的优越性”没这么容易实现。我们需要知道三个方面:
首先,量子计算机需要对量子比特进行精确的制备、操作和测量,这是难点所在。其次,要实现量子优越性,需要至少超过100个量子比特的规模,这进一步增加了难度。最后,量子优越性的体现,是在特定的算法上,而非全面的、碾压式的对经典计算机的超越。
作为一条新的赛道,各国早就快马加鞭,竞逐起这个技术制高点。新的一轮思考又开始了,这一次走到“第100次”的,会是谁呢。
(文中配图部分来源于视觉中国,部分来源于网络)
编辑 | 莫奈
排版 | 菲菲
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