光之史话：这一回爱因斯坦离题太远吗？

　　除了用来进行量子通信。你还知道纠缠可以用来做什么？欢迎与我们分享，我们将抽取三名幸运送出《光之史线年，阿尔伯特·爱因斯坦就向量子理论的拥护者们发出了挑战。他意识到，如果量子理论是正确的，那么分离在宇宙两端的两个光子应该有可能相互影响。这显然与狭义相对论矛盾，所以他确信关于“量子纠缠”效应的论文将意味着量子物理学的终结和理智的回归。在科学方面，爱因斯坦很少出错，但这次他确实离题太远了。

　　爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出纠缠概念的原始论文令人费解。爱因斯坦后来说道，这篇论文本不必要写得这么复杂，而且写得很差。论文里的理论考虑了两个纠缠的粒子朝不同的方向发射。设想一个科学家测量其中一个粒子的位置，可以立刻得知另一个粒子的位置就在相反方向相同距离处，即使这个位置点只是在一个概率范围内（这只是一个思想实验）。这篇论文接着说，用同样的方法，不管两个粒子相隔多远，你可以测量一个粒子的动量（质量乘以速度），然后另一个粒子的动量也可以确定。对不同物理量的测量很容易造成困惑。爱因斯坦后来写道，“我不在乎”需要同时进行两次测量——在这里他用了一个德语短语“ist mir Wurst”，字面意思是“对我来说是香肠”，实际意思是“我不在乎”。

　　量子纠缠的概念比这篇论文要简单多了。两个光子只要纠缠在一起，那么它们就好像变成了一个整体。如果你要把它们分开，一个光子的变化会立即反映到另一个光子上。爱因斯坦不能接受量子纠缠的观点，是因为它似乎包含了“超距作用”，这是一个令科学家们感到恐惧的概念，因为它看起来更像是魔法而不是科学。

　　如果我想让某个事情在远处发生，那么我必须把一些东西从我所在的地方送到事情发生的地方。我可以向露天摊位上扔个球，把椰子打翻。我可以在空气中发送声波，让远处的人听到。或者我还可以点亮灯来发送一个信号。在这些情况下，都是有事物从一个地方传送到另一个地方。甚至引力——长期以来一直被认为是远距离作用，现在也被认为是通过引力粒子来传播，引力粒子以光速从一个物体传递到另一个物体。

　　由于爱因斯坦已经证明了没有任何东西的传播速度能超过光速，所以他确信不存在纠缠，因为这意味着纠缠在一起的两个光子会立即相互交流，而不需要时间来传递。如果没有东西穿过空间，结果要么是存在令人感到不安的“超距作用”，要么是没有作用存在，量子理论随之崩溃。

　　当时，爱因斯坦的论文引起了短暂的震动，但很快就被束之高阁。由于量子理论过于复杂，大多数量子理论的支持者只是指出了这篇论文写作上有缺陷，而没有过多费心地考虑超距作用的基本问题。除此之外，这个实验，就像爱因斯坦的许多思想实验一样，不具备可操作性。就这样，大约三十年内，这篇论文几乎无人问津，直到北爱尔兰的物理学家约翰·贝尔（John Bell）想出了一个检验量子纠缠的方法，本质上，他是用统计测量方法证明量子纠缠是否有效，以此来检验量子理论是否错了。

　　贝尔的文章没有引起太多人的注意。此时量子理论已经很完善了，这个领域似乎没有什么可做的事情，大多数物理学家都专注于其他更时髦的课题。无独有偶，一位在非洲从事志愿工作的法国人——阿兰·爱斯派克特（Alain Aspect），打破传统，发现了实验验证贝尔的理论的可能性。爱斯派克特1971年休假期间，在中非的喀麦隆从事援助工作。长夜漫漫，他没有什么事情可做，就跳出物理学体系中流行的东西，有时间去思考他真正感兴趣的科学问题，其中包括约翰·贝尔的论文。回到巴黎时，爱斯派克特已经准备好从事量子纠缠研究了。他成功地通过实验证明，将信息从一个光子传递到另一个光子之前，一个光子的变化会反映在另一个与之纠缠的光子上。

　　为了产生纠缠光子，爱斯派克特使用了高温的钙，然后用一对激光轰击高能钙原子。得到能量后，一些钙原子到了更高的能态。随后，原子能态下降，释放光子。这个过程与光的普通反射过程几乎一样。但是每隔一段时间，释放的光子不是一个，而是两个更低能的光子。这两个光子“天生”纠缠在一起，在光学上相当于一对双胞胎。

　　爱斯派克特的技术产生纠缠光子的效率非常低。之后，科学家主要用另外两种方法产生纠缠光子。第一种方法名字很宏大，叫 “参数化下转换”技术，使用与爱斯派克特类似的方法，但不是从热钙中获得“孪生”光子，而是让激光通过特殊晶体得到纠缠光子，这种方法更可控。另一种方法可用于任何量子粒子，而不仅仅是光子，它涉及分束器的使用。

　　分束器听起来像老科幻电视节目里的道具，但它在光学实验室里很常见。不仅如此，你家里有很多分束器，尽管它们的设计目的可能不一样。在前文中，我们已经见识过窗户是如何在反射一些光子的同时让其他光子通过，而这就是一个分束器。量子粒子流到达分束器后，一部分被反射，另一部分则通过分束器。

　　回忆一下，玻璃的厚度是如何影响从玻璃两面反射的光子数量的。击中玻璃内表面的光子不知怎的知道了玻璃有多厚，并随之产生反应。这时发生了类似于纠缠的情况，受到“超距作用”的光子即使没有穿过玻璃，也知道玻璃有多厚了，所以发射两个光子通过分束器后让它们成为纠缠态的方法似乎一点也不奇怪。确切的机制相当复杂，但是科学家已经证明了一对分束器可以使粒子纠缠在一起的原理，从光子到气体云在内的所有东西都可以有效地发生纠缠。

　　科学上，不仅产生纠缠光子的方法在发展，量子纠缠的应用也是如此。20世纪90年代和21世纪初期，出现了三种纠缠的主要应用。但在研究这些之前，有必要考虑一下纠缠最明显的可能用途。大多数人第一次听到这种奇怪的联系时，认为这终于是一种信息发送比光还快的方式了。毕竟，两个纠缠的粒子可以瞬间交流。正如我们所看到的，信息传递比光还快的想法非常可怕，因为这样信息会逆时传播，那么整个因果律就危险了。

　　由于在相对论框架下，光速恒定，那么这种即时通信就可以逆时传播。没有相对位置的移动且同时发生的两个事件，如果相对位置有移动情况就会有变化。一个事件在时间上先于另一个事件发生，当它们的相对运动速度达到光速时，事件发生的顺序就会发生变化，结果先于原因到来。想象一下，我们有一艘离开地球20年的宇宙飞船，以接近光速的速度飞行，飞船上的旅行者看到时间只过去了10年。因此，从地球发送到飞船的即时信息将比它发送的时间提前10年到达。但这种时间相对的效果是对称的。从飞船的角度看，地球上的时间过得很慢。因此，从飞船的时钟上看，10年过去了，而地球上只过去了5年。这条即时信息在15年前就会传回地球。

　　如果真的可以发送时间信号，你可能会想为什么我们没有收到来自未来的信息。那是因为这种信息时间机器有一个不可避免的局限性。我们想象一个探测器花了20年才到达某个距离后，15年前在那里发回一条信息。即使探测器的飞行速度尽可能地接近光速，在探测器发射之前，信息也永远无法返回地球。在产生即时信息的技术投入使用之前，我们无法将信息发回，而这种技术还没有出现。

　　令人欣慰的是，或许量子纠缠永远也不可能帮我们建造这样一个信息时间机器。虽然纠缠粒子之间的联系是即时的，但我们无法控制这种交流的结果是什么。例如，如果我们测量一个光子的偏振，它可以“上”或“下”，另一个与之纠缠的光子会立即呈现相反的态。但是我们不知道第一个光子的态，没有办法迫使它呈现“上”或“下”的态，所以纠缠不能用来发送任何信息。

　　另一种可能发送逆时消息的方式是利用一长排纠缠光子对。当你检查一个光子时，纠缠就会坍缩。你所要做的就是检查接收者的光子，看看哪些光子仍然处于纠缠状态，为此，你应该有即时通信。然而，检验纠缠的唯一方法是让两个光子重新回到一起，而这不能比光速更快。你必须等光子以光速从发送者发送到接收者，你才能知道这两个粒子是否仍然纠缠在一起。无论你用什么方法绕过障碍，都不可能使用纠缠来发送比光还快的消息。

　　仅因为我们不能利用纠缠实现比光速更快的交流，就否决纠缠在信息传输中扮演的重要角色是不公道的。事实证明，利用纠缠加密的效果非常好。从维也纳市政厅向奥地利银行当地分行发送安全支付已经用了量子纠缠的设备，而新加坡也在计划建立一个全国范围的量子纠缠网络来进行安全通信。纠缠之所以如此吸引人，是因为它可以生成不可破解的密码，很有实用性。（纯粹主义者会指出，实际上使用纠缠的方法加密文件，其中包含替换单个字母，而不是密码。在加密文件中，特殊的单词代表你指定的任何意思，但使用“密码”一词似乎更自然。）

　　读过丹·布朗（Dan Brown）的惊悚小说《数字堡垒》的人可能会惊讶地发现，自1918年以来，就有了难以破解的密码。布朗这本书的情节设定是基于一个令人震惊的发现：有人发明了牢不可破的加密技术，而书中的密码专家郑重宣布这是不可能的。在没有人把这个故事告诉美国电话电报公司的工程师吉尔伯特·桑福德·维尔纳姆（Gilbert Sanford Vernam）的情况下，他提出通过将文本中的每个字母组合在一起，用另一种不同的值，即所谓的密钥加密来保证信息的安全。然后，接收方减去相同的密钥来读取消息。在此基础上，美国通信兵团的约瑟夫·莫博涅（Joseph Mauborgne）上尉提出了一个改进版，即这个密钥应该是一串随机的字符，于是一种完全不可破解的机制——曾被称为一次性密码——诞生了。

　　这种类型的代码是不可能被破解的，因为加密的消息本身就是一组随机字符。这里没有模式，破解者无法利用任何东西来破解。获取信息的唯一途径就是你得有密钥。然而奇怪的是，尽管这项技术在1918年就出现了，却很少被使用。例如，在第二次世界大战期间，德国人使用恩尼格玛密码机生成密码，尽管人们认为破解它极其困难，但布莱切利园（又称X电台，二战期间曾是英国政府进行密码解读的主要地方）的破译人员仍然将其破解了。同样，计算机使用的加密也是可以被破解的，例如，你在网页上输入的信用卡密码是可以被破解的。诚然，当时破译这些密码相当困难（至少对今天的技术而言），但它们仍是可以被破解的。只有一种方法可以让机密信息完全无法破译。

　　一次性密码不经常使用的原因是发送方和接收方都要有密钥，信息才能传输。双方都需要一份用于加密信息的随机字符列表的副本。把密钥安全地从一个地方拿到另一个地方很麻烦（更不用说要防止在起点和终点被），因此一次性密码所花的代价常常比较高。

　　现在让我们回到量子纠缠上。想象一下，一个发射器发射出两束纠缠的光子。每一对光子其中一半给想要发送秘密信息的人，另一半给接收者。密钥（即信息的随机集合）是由纠缠对自动生成的。例如，如果加密设备测量偏振，那么测量一个又一个光子的 “上”和“下”序列是真正随机的，不像计算机产生的所谓随机数没有达到完全随机，这里光子的偏振序列绝对是随机的。更妙的是，在光子被检测之前，密钥并不存在，所以不可能事先泄露出去。尤其是，如果有人试图截获密钥，观察光子窃取信息的行为就会破坏纠缠。如果交流的两端检查持续的纠缠来交换稳定的信息流，那么只要有人截取了他们的光子，在秘密信息丢失之前，他们就会立即收到警报。

　　我们无法想象人类生活在一个没有光的世界中，光既是我们认识这个世界的钥匙，也寄托了人类的精神和希望。本书试图带领读者进行一次时间旅行，将人类对于光的探索和感受娓娓道来。随着探索，光不断推动着改变我们生活的技术出现，它甚至还引导我们质疑现实的本质。从新石器时代人们在巨石阵中对光的崇拜，到印象派画家在绘画中对光的性观察；从牛顿用三棱透镜将一束白光分解成了彩虹色谱，到爱因斯坦和费曼得出令人震惊的结论……本书探索了人类追寻光的非凡历程和不断被颠覆的认识。这本书呈现的不仅是人类探索的历史，也是一部科学技术发展史、思想史。

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