量子纠缠的故事：从恶梦到美梦

爱因斯坦与波耳这两位诺贝尔奖得主，在 1930 年代针对“量子纠缠”这个怪象的论战，使得这个领域有二三十年的时间，无法建构起一个系统化的研究框架。直到 1960 年代贝尔提出不等式定理，并且获得实验证明之后，量子力学才总算拨云见日，在物理学各个重要领域里大开大展。本讲次为听众整理这段量子力学发展的坎坷之路，并点出科学研究突破瓶颈的关键所在。

量子纠缠的相关争论，可以追溯到汤玛斯.杨 （Thomas Young） 的双狭缝干涉实验；用现代的马赫-曾德尔干涉仪 （Mach-Zehnder interferometer） ，也会做出相同的结果。这个实验的意涵是，你若把光看成是一种波，它在通过两条狭缝时会相互干涉，在探测屏上显现出亮纹跟暗纹；倘若把光看成是一种粒子，它只能在两条狭缝里选择一条行进。理论上光子各走各的，关闭其中一条狭缝，应该不会影响到走另一条狭缝的光子；然而实验结果却并非如此，当两条狭缝都开放时，探测屏上仍然会出现亮纹跟暗纹。波耳领导的哥本哈根学派，接受光子具有如此怪异的量子特质，称之为“波粒二象性” （wave-particle duality） 。

爱因斯坦并不接受这个有点滑头，“它有时像波，有时像粒子”的说法，他在 1935 年发表了大名鼎鼎的 EPR 悖论 （Einstein-Podolsky-Rosen paradox） ，驳斥量子怪象这套说法。爱因斯坦认为即使不用到量子力学，也能解释不为人知的隐藏变量，控制机率分布的现象；因此量子力学虽然称不上错误，但是完备性却令人质疑。有趣的是这篇论文只有短短四页，但是林丰利老师每次拜读都看不懂，直到有一天才恍然大悟：那是因为爱因斯坦虽然质疑量子力学，但他却用量子力学的语言进行推论，对于量子力学内容已经很熟悉的读者，很自然地会顺着量子力学的逻辑，试图理解这篇论文；到最后爱因斯坦推翻量子力学的论述时，读者就会突然搞不懂他在说什么。

EPR 悖论所说的，就是后来被薛丁格称之为“量子纠缠”，两个粒子的量子态“无法分离”的现象。然而 EPR 悖论的主张却必须用到一个在哲学上模拟两可，听起来比波粒二象性还要来得奇怪的“定域实在论” （local realism） ，再加上以当时的技术，还无法操纵少数几个量子，根本无法进行实验，因此除了戴维.玻姆 （David Bohm） 等少数几位物理学家以外，当时的主流物理学界，可以说没有人认真看待量子纠缠这套理论。

这个技术瓶颈要直到 1964 年，笃信局部隐藏变量理论 （LHV） 的约翰.贝尔 （John Bell） ，提出著名的贝尔不等式之后，才为量子力学提供了一个新的架构。法国物理学家阿兰.阿斯佩 （Alain Aspect） 花了十年工夫，用实验验证了贝尔不等式，从此量子力学才得以正式摆脱 EPR 悖论的“纠缠”，并且衍生出量子计算以及量子加密等等新技术。

虽然当阿斯佩当年告诉贝尔，他正在进行贝尔不等式的实证研究时，深知实验工作不易的贝尔，甚至曾经半开玩笑地问他“那你有终身职糊口吗？”，但倘若没有阿斯佩不折不挠的长期投入，量子力学的发展瓶颈，也许还得再卡上另外一个二三十年。我们从量子纠缠的这段往事，也能够再一次看到物理学实事求是的精神，以及理论与实验互为表里的本质。