推薦序二

袁嵐峰

我非常高興和榮幸，向大家介紹當代物理學大師、2022年諾貝爾物理學獎獲得者安東·蔡林格的這本科普著作《光子之舞》。此書的主要內容是量子隱形傳態，它相當于科幻作品中的傳送術。其實，量子隱形傳態的英文名“quantum teleportation”，直譯過來，就是量子傳送。所以我們在書中經常會見到“傳送”這個詞，也經常見到“隱形傳態”這個詞，讀者可以明白，它們在英文原文中其實是同一個詞。

許多科幻作品都會出現傳送術。例如，書中提到的《星際迷航》系列，就是個典型，它甚至造出了一句名言：“把我傳上去！”然而如果細想起來，問題就來了：傳送是個有科學原理支撐的技術，還是是個純粹的幻想？如果有科學原理支撐的話，是什么呢？

科幻影視劇中對傳送術的描述，往往是先對要傳送的物體做一個掃描，在完全了解了它的信息之后，再根據這些信息在遠處重建出這個物體。這看起來很合理，但唯一的問題在于，在真實世界中，這其實是不可能的。

為什么呢？因為要獲得物體的信息，就需要做測量。然而，真實世界遵循的物理規律是量子力學，量子力學中測量的結果一般而言是不確定的，一次測量只能得到多個可能的結果中的某一個。更糟糕的是，測量以后狀態就改變了。假如我們有很多個相同的樣品，那么可以重復很多次測量，獲得概率分布。但我們要傳的是獨一無二的樣品或人，那就不可能重復測量很多次。因此，這個看似一目了然的方法，其實是行不通的。

實際上，傳送的問題可以表述為：對于一個未知狀態的量子體系，如何把它的狀態傳到遠處的另一個體系上去？這里的關鍵在于狀態未知，假如狀態已知，就沒有任何難度了，那就變成了一個制備特定狀態的問題。但對于未知的狀態，我們就沒辦法在不破壞它的情況下測量它，所以這個問題極其棘手。其實量子力學中有一個“量子態不可克隆定理”，說的就是對于未知的量子態，不存在可靠的方法將它復制。

乍看起來，這已經宣判了量子傳送的不可能性。然而，真正的峰回路轉之處在于：我們不可能復制一個未知的量子態，但有可能把它轉移到另一個地方！轉移的意思就是，把A粒子的狀態轉移到B粒子上，同時A粒子的狀態發生變化，所以最終還是只有一個體系具有A最初的狀態，而不是兩個。

1993年，有六位理論物理學家提出了量子隱形傳態的構想。論文的標題很長，叫作《通過雙信道（經典以及愛因斯坦-波多爾斯基-羅森信道）遠距離傳送未知量子態》。這里提到的愛因斯坦-波多爾斯基-羅森信道就是大名鼎鼎的神奇現象——量子糾纏。因為量子糾纏是愛因斯坦和他的這兩位助手在1934年提出的，所以人們也常把量子糾纏對用這三人的姓氏首字母表示，即將其稱為EPR對。量子糾纏的效果是，兩個粒子各自的測量結果是隨機數，但這些隨機數之間存在確定的關聯，例如總是相同或者總是相反。事實上，蔡林格2022年獲得諾貝爾物理學獎的主要原因就是，在同年獲得該獎的其他兩位物理學家（約翰·克勞澤和阿蘭·阿斯佩）之后做了證實量子糾纏的實驗。

量子隱形傳態的理論方案是在1993年提出來的，而實驗是在1997年進行的。該實驗正是由蔡林格的研究組首次實現的，這也是他獲得諾貝爾物理學獎的原因之一。跟前面的理論文章形成鮮明對比的是，這篇實驗文章的標題極其簡短，英文只有三個單詞，其中文譯作《實驗量子隱形傳態》。特別值得一提的是，潘建偉是此文的第二作者，當時他在蔡林格的組里讀博士。

提到量子隱形傳態，最容易產生的其實是種種誤解。下面我們就來解釋一下，它是什么以及不是什么。

首先，它傳的是狀態，而不是粒子。我們并不是讓一個粒子在這里消失，在那里出現，而是讓一個粒子的狀態出現在遠處的粒子上。

然后，它是狀態的移動，而不是復制。經常有人以為，這樣會得到兩個相同的人，于是立刻就產生一大堆倫理問題，比如：哪個是真正的自己？其實根本不會出現這樣的問題，因為初始粒子的狀態必然會改變。也就是說，它是一種破壞性的傳輸。

第三，量子隱形傳態不是瞬間傳輸。經常有人以為，量子隱形傳態可以超越光速，推翻相對論，但這是錯的。原因在于，雖然量子糾纏的速度是無窮大的，但量子隱形傳態中有個步驟是通過經典信道傳輸，愛麗絲要把自己測得的兩個比特的信息（00、01、10或11）傳給鮑勃，這一環節的最高速度就是光速，因此整個量子隱形傳態的最高速度就是光速。

我們來總結一下，量子隱形傳態是以不高于光速的速度、破壞性地把一個體系的未知狀態傳輸給另一個體系。如果現在你明白了科幻作品中的傳送術不是純粹的幻想，而是有科學原理支撐的，你的知識水平就超過了99%的人。

不過，我從幾年的科普實踐中感到，量子隱形傳態是個很難科普的話題。因為用日常語言描述這樣一個復雜的過程，無論再怎么努力，也還是很容易詞不達意。最終的效果就是，只有本來就懂的人才能明白關于它的描述在說什么，本來不懂的人看了以后也還是不懂。我十分懷疑，這本書的讀者也會產生這樣的感覺。

對此我也很難開出什么好的藥方，但就我自己的經驗而言，我真正搞懂量子隱形傳態是在看了它的精確描述之后，該類描述是用數學符號、專業概念一步步地呈現出它的步驟。這時我的感覺是，這個過程其實很清晰，很容易理解。尤其是能夠明白，其中最大的妙處是，讓第三個粒子的狀態變成某種跟第一個粒子的初始狀態有關的組合，而且這個組合總能找到某種方法讓它變成第一個粒子的初始狀態，這樣就實現了傳送。

在我的科普書《量子信息簡話》中，就用一部分選讀內容介紹了量子隱形傳態的具體過程。如果您有興趣對量子信息獲得更多、更系統的了解，歡迎讀我這本書。下面，我們就來介紹一下量子隱形傳態的步驟，您可以看看是否對后面的閱讀有很大幫助。

這里首先要引入一種數學符號，用它可以方便地表示量子狀態。它叫作狄拉克符號，是由英國物理學家、1933年諾貝爾物理學獎獲得者保羅·狄拉克（1902—1984年）提出的。狄拉克符號就是“|＞”，你可以在里面填上任意的數字、字母甚至一句話，用來表示某種狀態。例如，我們經常用|0＞和|1＞來表示一個粒子的兩個基本狀態。

量子隱形傳態的基本框架是，它需要用到兩個人愛麗絲和鮑勃以及三個粒子A、B、C。愛麗絲拿著A粒子，它處于某個未知狀態a|0＞+b|1＞，其中a和b是兩個未知的數，我們想把它傳到遠處去。為此我們引入另外兩個粒子B和C，它們處于糾纏態（|00＞+|11＞）/，B也在愛麗絲手里，而C在遠處的鮑勃手里。然后我們用某些操作，讓A和B糾纏起來。

然后愛麗絲對A、B這個兩粒子體系做一次測量，總共有四種可能的結果：00、01、10和11。與此同時，C粒子的狀態就會相應地變成a、b、|0＞、|1＞的某種組合：00對應a|0＞+b|1＞，01對應a|1＞+b|0＞，10對應a|0＞—b|1＞，11對應a|1＞—b|0＞。

最后，愛麗絲把自己的測量結果發給鮑勃，鮑勃根據這兩個比特的信息對C做一個操作，就能讓C變成A最初的狀態a|0＞+b|1＞，而A粒子這時已經變成了|0＞或|1＞，這就實現了量子隱形傳態。而且最奇妙的是，從頭到尾我們都不知道a和b等于多少，但能確信，C最后的狀態就是A最初的狀態。

以上的流程，如果你不能完全看懂，這是正常的。但如果你能記住用到了三個粒子、對兩個粒子做測量、根據測量結果把第三個粒子的狀態變成第一個粒子的初始狀態，你的知識水平就超過了99.9%的人，閱讀這本書時的許多疑惑也會迎刃而解。

這本書還有一個有趣之處，是此后的發展。這本書英文版出版于2010年，當時潘建偉剛剛回國，在學術界初露頭角，不過書里已經多次提到他的貢獻。作者可能也沒有想到，后來潘建偉研究組開創了很多量子隱形傳態新的里程碑，例如多自由度的量子隱形傳態（2015年被英國物理學會評為當年最重要的物理學進展）、從地面到衛星的量子隱形傳態（2017年通過“墨子號”量子科學實驗衛星實現）、跨越1200公里的量子隱形傳態（2022年以“墨子號”為中介，在德令哈與麗江兩個地面站之間實現）。這本書結尾提到的發射量子衛星的設想，也是由中國衛星率先實現的，即“墨子號”。蔡林格研究組跟中國也有廣泛的合作，蔡林格在諾貝爾獎頒獎演說中介紹了這些成果。量子科學在中國的蓬勃發展，對全世界科學家都是一大驚喜。

最后，我們需要說明，此書的主要內容是量子隱形傳態，但它遠遠不限于此。它深入探討了量子力學帶來的許多哲學問題，正文的最后一部分“這一切意味著什么？”就是對此的總結。量子力學不僅給我們帶來了許多實用的技術，如激光、半導體、發光二極管，它還對我們的世界觀產生了很大的沖擊。

目前最核心的結論就是，通過貝爾不等式實驗可以確認，量子力學不滿足“定域實在論”。所謂定域性，就是不能超光速傳遞信息。所謂實在性，就是一個物理量在測量之前就有確定的值。定域實在論，就是這兩者加起來。乍看起來，這兩者都是天經地義的。然而，假如世界真的滿足定域實在論，它就會滿足一個不等式，叫作貝爾不等式。這個不等式是否成立，是可以通過實驗檢驗的。按照量子力學的預測，糾纏態就可以違背貝爾不等式，因此量子力學跟定域實在論構成了尖銳的沖突。

蔡林格等人用糾纏光子做的實驗，正是確認了結果違背貝爾不等式，所以證明量子力學是正確的，定域實在論是錯誤的。這對我們的世界觀，堪稱一場革命。

然而這場革命的意義，我們還遠沒有完全理解。究竟是定域性不對？還是實在性不對？還是兩者都不對？我們還遠遠不清楚。但科學最大的意義之一就是告訴我們，世界存在這樣深邃的問題，它激勵我們去探索。