雙光子糾纏實驗是驗證貝爾不等式、證明量子力學非局域性的主要實驗。法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）在1982年率先用糾纏光子進行實驗，確立對貝爾不等式的違背，幫助解決了1935年的“愛因斯坦-玻爾之爭”，并于2022年獲得諾貝爾物理學獎。如今，量子糾纏已成為諸多量子技術的核心。

近日，The Conversation專訪了阿斯佩，聽他回顧早年職業生涯的一些關鍵階段，討論量子世界與宏觀日常的分野，展望當今量子技術的興起，以及公共研究資助等話題。訪談并不涉及量子力學的晦澀細節，而是希望向讀者傳遞這門學科的獨特魅力。

受訪者 | Alain Aspect

采訪者 | The Conversation

翻譯 | 小葉

阿蘭·阿斯佩，2022年諾貝爾物理學獎得主之一。來源：巴黎理工學院

愛因斯坦的質疑

The Conversation：在討論您的諾獎工作之前，我們需要先回顧一下量子理論的起源。實際上，在20世紀初，量子物理的兩位奠基人——阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾，為解釋這一新理論爭辯了很久。兩人的分歧之一與“量子糾纏”現象相關，簡單來說，是指兩個空間上相隔的粒子共享特性，想要描述其中一個粒子，就要描述另一粒子，必須將它們視作一個整體來描述，缺一不可。對此，愛因斯坦提出質疑，因為這意味著兩個糾纏粒子可以在很遠的距離上瞬間交換信息，速度超過了光速。

通過實驗，您已經證明愛因斯坦的質疑是錯的，您在最近出版的新書《假如愛因斯坦早知道……》（Si Einstein avait su）中也提到了這一故事。在上世紀70年代末至80年代初，您早就完成了相關研究，但直至今日仍對此熱情不減，能解釋一下其中緣由嗎？

阿斯佩：這段經歷讓我著迷不已，因為它真正觸及了愛因斯坦的世界觀。

我先補充一下這段歷史，正如你所說，從愛因斯坦-玻爾之爭到我的研究成果，在這之間，1964年還出現了一位名叫約翰·貝爾（John Bell）的物理學家。貝爾寫下了一系列方程，將愛因斯坦與玻爾的歷史性分歧訴諸數學形式。繼貝爾的研究之后，約翰·克勞澤（John Clauser），然后是我，后來還有其他人，都曾展開實驗驗證兩人的分歧。我有幸在某種程度上證明愛因斯坦錯了，但他的卓越貢獻不可磨滅——他指出了量子物理的一個奇異特性：糾纏，在此之前人們可能還沒有意識到其重要性。

即便在這個特定問題上我證明了愛因斯坦的錯誤，但對我來說他絕對是人杰！我非常欽佩他在1900年至1925年量子物理形成期間做出的貢獻，還有他在1935年發表的那篇論文（指愛因斯坦等人1935年在Physics Review上發表的EPR論文。論文中他們由量子力學對多體系統的描述，推出一個思想實驗，這個實驗允許“幽靈般的超距作用”存在，而這與一個完備的物理理論應滿足的“定域實在性”相矛盾，以此證明量子力學是不完備的。即EPR佯謬。——編者注）。另外我還要補充一點，他的著作清晰到讓人難以置信，顯然約翰·貝爾也注意到了這一點，他曾如此總結道：

“玻爾缺乏條理，表達不清，故意含糊其辭，但他是對的；愛因斯坦邏輯連貫，思路清晰，腳踏實地，但他錯了。”

尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦在保羅·埃倫費斯特位于萊頓的家中，照片攝于1925年12月。來源：維基百科

The Conversation：此后，你還做了其他重要的研究工作，其中您最中意哪些研究呢？

阿斯佩：其中一項，是上世紀80年代末我和克洛德·科恩-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji）一起研發出原子冷卻方法，他是這方面的專家。（克洛德·科恩-塔諾季于1997年因“發展了用激光冷卻和捕獲原子的方法”獲得諾貝爾物理學獎。——譯者注）

鑒于溫度與原子熱運動速度相關，要冷卻原子，實際上就要讓它們慢下來。我們采用“突破光子反沖極限溫度”的冷卻法，熱運動減速幅度十分微小，低于量子力學原理定義的量，約十億分之一開爾文。因此，我也很自豪為科恩-塔諾季最后獲得諾貝爾獎做出了一點貢獻，就像我的朋友吉恩·達利巴德（Jean Dalibard）和克里斯托弗·薩洛蒙（Christophe Salomon）一樣，他們也為科恩-塔諾季的其他研究貢獻了自己的力量。

還有一項開創性研究對我來說意義重大，其靈感來自2000年代初我和同事菲利普·布耶（Philippe Bouyer）參加的一場學術會議。自上世紀50年代末以來，凝聚態物理學家一直試圖直接觀測一種被稱為“安德森局域化”（Anderson Localization）的現象，這種現象涉及電子在無序材料中的行為。會議上，發言人曾說過類似這樣的話：“如果能把原子置于無序環境，將會很有趣。”（這里的無序是指由無序占主導的區域，例如存在不規則障礙。）會后，我和菲利普坐在車里對視了一眼，說：“我們的實驗可以稍加改動，試試看能不能在光學無序中觀測到原子的安德森局域化。”實際上，我在法國國家科學研究中心（CNRS）光學研究所創建的原子光學研究團隊，其目標就是使用原子去實現光子或電子的既有實驗。例如，這個團隊（當然如今我已退休，不在團隊中了）現在嘗試使用原子復現我曾經做過的量子糾纏實驗。

回到安德森局域化，得益于利用激光制造的勢阱，我們成功在無序體系中捕獲超冷原子（溫度低至十億分之一開爾文），從而直接觀測到了安德森局域化現象。我們還拍攝了“原子波函數”的圖像，即困在光阱中的原子的“形態”。這篇論文被凝聚態研究人員廣泛引用，他們非常驚訝于竟然直接拍攝下了波函數！安德森局域化是非常精妙的量子現象，我對這一研究成果感到特別自豪。

The Conversation：您對單個粒子的特性（例如冷卻技術）、成對粒子的糾纏都做過大量研究。當粒子數量很多時會發生什么？更具體地說，盡管大型物體由微小粒子組成，為什么物理法則在宏觀和微觀尺度中大不相同？

阿斯佩：我會給您一個標準答案，但必須指出的是，在我看來，這一標準答案只不過是把問題往后推了一步。

標準答案會這么說：顯而易見，當存在大量粒子時，我們就不再觀測到量子特性。否則，我們會遇到著名的薛定諤的貓，既生又死——事實并非如此，因為發生了“退相干”。

所謂退相干，是指當量子系統與外界相互作用時，其量子特性會或快或慢地消失，方式可能明顯也可能不明顯，但終不可避免。一部分量子信息會以某種方式稀釋在外部世界中，因此粒子不再擁有全部量子特征。我們如今可以在理論上證明，為了保留量子特性，粒子數量越多，外部干擾就必須越小。換言之，為了能觀測到海量粒子的量子特性，就必須將它們與外界隔絕開來。

現在所有嘗試構建量子計算機的人都在努力實現這一目標，因為量子計算機要使用成百上千、甚至上萬的“量子比特”。這些量子粒子相互糾纏，而不與外界相互作用。

界限何在

The Conversation：要制造量子計算機，難點是純粹技術性的，即將量子比特與外界隔絕開來。還是存在固有的內部限制？例如，是不是粒子達到一定數量之后就不再發生糾纏？量子世界與經典世界的界限在哪里呢？

阿斯佩：現在我們能成功觀測到1000個量子比特的糾纏現象，也許還能達到數千個。但另一方面，經典世界物體包含的粒子數量級在1023。兩個尺度之間差了大約20個數量級，差距相當巨大。問題就來了：這兩個世界之間存在絕對的界限嗎？如果有，那就要有新的物理法則，但目前我們還不知道。

如果能發現這樣的法則，那將是一件美妙的事情，但如果我們知道了界限在哪里，最終很可能會粉碎研發量子計算機的希望。

我是法國初創公司Pasqal的聯合創始人，該公司致力于構建便于用戶使用的量子計算機。所以我很希望量子計算機能成為現實。但另一方面，如果在研發過程中我們發現量子世界與宏觀世界之間存在一條根本界限，那么作為物理學家，我會更開心！事實上，我認為自己穩賺不賠：要么成功制造出量子計算機，研究量子現象這么久，終于實現了應用；要么發現一條全新的物理法則，這也絕對了不起。

The Conversation：關于量子世界與經典物理世界之間的基本界限，您能再多講點兒嗎？

阿斯佩：目前還不能，我們知道的也只有我剛才說的這么多，也就是說，退相干現象說明一部分“量子信息”向外逃逸，結果破壞了量子疊加態。糾纏的粒子數量越多，退相干的影響就越厲害，所以，如果要讓系統始終保持量子態，就要更嚴密地將系統隔離開來。

然而，物理學家們夢想著或許存在一種擺脫退相干的方法。

實際上，我們通過“態”來描述量子粒子——描述其方方面面的特征。當大量粒子發生糾纏時，你可以想象對整個體系的描述會變得冗長。對于大量粒子，“態空間”，即所有可能狀態的集合，大得不可思議。只需要200、300個糾纏的量子比特，其可能狀態的數量就比宇宙內所有粒子的總量還要多。但這一態空間內，如果走運的話，可能會有一小片區域免受退相干影響。如果真的存在這樣的區域，那么在巨大態空間內的一些特定狀態就不會因與外部世界發生相互作用而破壞。

科學家們正努力朝著這個方向前進。例如，當你們聽到“拓撲”量子比特這個詞的時候，指的就是這個。但直到現在我們尚處于摸索階段。

The Conversation：您為什么說退相干會掩蓋問題，將其推后了一步？

阿斯佩：在物理學中，有些問題我們可以從基本定律出發進行嚴格的解釋。但還有一些絕對實用的理論，我們知道這些理論能夠正確描述觀測到的現象，但還不知道如何從第一性原理出發來證明它們。我們必須像人們常說的那樣，“手動”添加它們。退相干就是如此，熱力學第二定律也是如此。退相干是解釋量子特性消失的唯象理論，但目前尚未得到全面證明。

The Conversation：當今量子力學基礎研究的前沿課題是什么？研究人員面臨哪些大問題？

阿斯佩：首先要說明，我已經有12年沒有領導研究團隊了，雖然我對這些問題很感興趣，但不再參與其中了。

話雖如此，我覺得我們還是有必要區分那些非常長遠的問題和較短期的問題。以長遠問題為例，我們知道廣義相對論和量子力學之間存在抵牾。這屬于理論問題，遠遠超出了我的專業范圍。

另一方面，從短期問題來看，據我所知有人正嘗試通過“宏觀”物體來觀測量子機制：用一張被拉伸到極致的薄膜，以非常高的頻率振動，科學家試圖觀測其振蕩運動的量子化。這又回到剛才的話題：量子世界與宏觀世界的界限，我們開始能夠研究宏觀尺度的物體，但它同時又能表征量子現象。

這一研究線路的優勢在于它不以幾十年為期限，可能幾年就會有成果，能幫助我們更好地理解量子世界與經典世界的界限。為此，科學家們考慮了多種系統，不僅僅是薄膜，還有與光子相互作用的微鏡。

2021年，美國國家標準技術研究所（NIST）用微波脈沖讓兩張鋁片膜進入量子糾纏狀態。來源：Science372,622-625

The Conversation：這樣的膜有多大？

阿斯佩：這些膜由二維材料制成，有點像石墨烯：從上面往下看，直徑約幾毫米，但厚度只有一個原子。

然而，重點不是它們的大小，而是能夠表現出量子特性的振蕩頻率。頻率非常高，就好比擰緊吉他弦一樣，能夠達到數百萬赫茲（每秒數百萬次振動）。當“振動能量子”（愛因斯坦1905年將其定義為頻率乘以普朗克常數）與典型的熱能相當時，也就是說，當薄膜振動頻率足夠高的時候，熱擾動的影響微乎其微，只要充分冷卻系統，我們就能觀測到量子效應。

The Conversation：您還關注過能夠突破量子力學基礎界限的其他進展嗎？

阿斯佩：當然，這就要提到為實現量子計算機所做的努力，從基礎物理學角度來看，這些方向都非常有趣。

有人使用中性原子、離子或者光子來制造量子比特，它們都是自然界的天然饋贈。另外在凝聚態領域（我對此不太了解），有基于超導電路的人工量子比特。超導材料非常特別，電流能夠在其中暢通無阻，這是另一種量子現象。一些特殊設計的電路表現出特定的量子態，可以用作量子比特。但現在我們只能在極低溫的條件下制造超導材料。

而光子、離子、原子這些天然量子物體的優勢在于，它們在定義上是完美的：所有銣原子都是相同的，所有相同頻率的光子都完全相同。對實驗者來說這是一件幸運的事情。

而在凝聚態領域，科學家使用超導體構建出人工量子電路，它們必須制造得足夠好，才能是真正量子化、全同的，性能也完全相同。

事實上，當我們回顧物理學史，就會發現有些現象是通過天然量子物體顯現出來的。一旦我們發現這種現象足夠有趣（尤其是在應用方面），工程師們就開展研究，開發出人工系統，以更簡單、更可控的方式復現這些現象。這就是為什么我認為使用天然量子物體來研發量子計算機這個思路非常有意思，光學研究所的安托萬·布羅瓦伊斯（Antoine Browaeys）、使用光子的初創公司Quandela，都在積極實踐中。

科技巨頭們

The Conversation：人們對量子技術興趣濃厚，其中一些已經投入使用，例如量子重力儀或者量子模擬器，目前的這些技術中哪些已經展現出“量子優勢”？

阿斯佩：說到量子重力儀（測量重力的儀器），雖然性能不如最好的經典重力儀……但后者重達一噸，要使用起重機才能將其移動至需要測量重力的地方。而量子重力儀只有幾十千克，可以輕易地在火山側面移動，來探測巖漿是否突然活動，這可能是火山噴發的前兆。在這種情況下，盡管量子重力儀性能稍遜，但小型化顯然具備一定優勢。

The Conversation：那么量子計算機呢？

阿斯佩：關于量子計算，首先需要定義什么是“量子優勢”。當有人聲稱通過解決一個以前從未有人問過的問題，從而獲得“量子優勢”時，人們可能會懷疑其現實意義。例如，如果用激光穿過一杯牛奶，后面形成的光圖案的計算就非常復雜，經典計算機進行這種計算可能需要耗費數年時間。那么我是不是應該說，這杯牛奶是一臺非凡的計算機，僅僅因為它給出了一個難以計算的答案？顯然不是。但一些所謂“量子優勢”就是這么報道的。

另一方面，光學研究所的安托萬·布羅瓦伊斯使用量子模擬器，已經回答了長久以來懸而未決的問題，物理學家稱之為“伊辛問題”。它涉及尋找在晶格上規則排列的一組粒子的最低能量狀態。如果使用經典計算機，我們最多能夠解決80個粒子的情況。而布羅瓦伊斯利用量子模擬器解決了300個粒子的情況。這才是無可辯駁的“量子優勢”。

值得注意的是，使用經典計算機研究這一問題的物理學家們也受到了啟發！他們由此開發出近似方法，可以近似計算300個粒子的結果，但還無法確定其近似值是否正確。而布羅瓦伊斯找到了結果，也無法驗證。當雙方發現彼此殊途同歸時，都非常高興。這是一種良性競爭，也是科學方法的本質，通過不同方法進行交叉驗證。

借此機會，我想講一下“量子優勢”還有第二層含義，這體現在能源層面，我們有理由相信，能在經典計算機上執行的操作，在量子計算機上也可以，而且后者消耗的能量更少。在當前能源危機的大背景下，這是值得探索的量子優勢。我們原則上知道如何利用這種能源優勢：必須提高計算速度，從每秒一次或每秒十次運算，提升到每秒上千次運算。這看上去是可以克服的技術問題。

總而言之，“量子優勢”可以是處理經典計算機無法處理的問題，也可以是解決經典計算機能夠解決的問題，但耗能更少。

The Conversation：一些量子技術還不夠成熟，尚無法普及，例如量子計算機。然而近幾個月來，一些科技巨頭紛紛宣稱取得重大進展：去年12月的谷歌和今年2月的亞馬遜都宣布在糾錯碼方面取得進展，微軟也在2月也宣布了“拓撲”量子比特方面的進展。您如何看待科技巨頭進入該領域？

阿斯佩：科技巨頭涌入量子計算領域，純粹是因為他們財大氣粗，不想錯過任何可能的變革。和我們一樣，他們也不知道量子計算機變革是否真會發生。但如果是真的，他們當然希望分一杯羹。

至于這些報道，我想非常明確地說，微軟關于“拓撲”量子比特的研究，這一說法其實來自微軟公關部門的新聞稿，而微軟研究團隊發表在《自然》上的論文并不支持通稿的說法。《自然》作為同行評審學術期刊，研究人員很清楚自己在報告什么，不會發表未經證實的內容。

新聞稿說，他們觀測到了著名的“馬約拉納費米子”，這是“拓撲”量子比特的候選之一，也就是說，屬于前述的免受退相干影響的態空間子集。

而研究團隊在論文中表示，他們觀測到一種現象，可能（僅僅是“可能”！）用馬約拉納費米子來解釋。這和新聞稿完全是兩回事。此外，新聞稿言之鑿鑿地提到他們將研制出包含100萬個馬約拉納費米子的量子芯片，而我們連1個馬約拉納費米子都沒有確鑿證據。大家可以自行判斷！

微軟于今年2月推出的Majorana 1量子芯片。來源：Microsoft

The Conversation：這種私人企業對科研的介入，是否會讓公共科研的熱情轉向其他課題？您認為該如何平衡公共科研和企業科研呢？

阿斯佩：有些事物會喧囂一時，然后歸于沉寂，這很正常，因為科研中也存在一種思想上的自然選擇。以量子比特為例，過去15年里歐盟委員會一直問我，應該把精力集中在哪一類量子比特上，上文也列出了一長串：光子、原子、離子、超導電路、硅……我告訴他們，我說不上來，就算到今天我也是這樣說。公共機構的職責是提供長期資助。必須讓科研人員繼續前進，在某個時候，可能有一兩條路徑要比其他路徑更有發展前景。當然，我們就會放緩其他路徑的研究。這就是科研思路的自然選擇。

The Conversation：各家企業也押注了不同的量子比特候選者……

阿斯佩：確實如此，但企業有一個特點：反應特別靈活。一旦他們發現自己選擇的候選者沒有前途，就會立刻停手，轉向另一個已被證明更好的選擇。另外，就工程層面來說，我必須承認，企業在快速反應方面相當了不起。但學界研究更有利于思想成熟，這也是不可或缺的階段。

必須承認，企業投入的資金比公共部門多得多，但前者缺乏長遠眼光。僅僅投入巨資并不能加速研發。

科學研究還需要思想成熟的過程，不會因為投入十倍的資金，速度就加快十倍。思想理論本身的發展過程中，有時還會出現意想不到的技術發展。我長期觀察法國、德國等國家科研體系，觀察到了理論成熟和平臺效應。

從這個角度來看，公共研究保留一定的非定向資助，即所謂的“空白”資助，至關重要。我認為一個重金投入研究的國家，希望人們研究某些指定課題并為此進行資助，這沒什么問題。關鍵在于要給真正的空白課題留出空間，這些課題是研究人員在沒有被列入任何計劃時提出的。正是得益于一個非定向項目，我們才得以觀測到安德森局域化，這就是個很好的實例，我們無法預測所有長遠的未來。

另外，信息也要充分流通，好讓其他研究人員能夠掌握最新進展并加以應用。因此，學術發表非常重要，這是與其他研究人員分享成果的好機會；也處于同樣的理由，我們對技術保密持保留態度，盡管在特定領域保密顯然是必要的。

本文于2025年3月3日首發于The Conversation法國版，原標題“Conversation avec Alain Aspect : des doutes d’Einstein aux Gafam, où s’arrêtera la physique quantique ?”經《返樸》翻譯后發布。

原文鏈接：
https://theconversation.com/conversation-avec-alain-aspect-des-doutes-deinstein-aux-gafam-ou-sarretera-la-physique-quantique-253156

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