从爱因斯坦到“墨子号”的《光子之舞》
光子之舞：爱因斯坦，量子纠缠和量子隐形传态
作者：安东·蔡林格（Anton Zeilinger）
译者：刘宁
出版社：中信出版集团
2022年，诺贝尔物理学奖颁发给了阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格，获奖理由是：“利用纠缠光子进行实验，确立对贝尔不等式的违背并开创量子信息科学。”
诺贝尔奖向来在研究成果展现出重大的实用性和应用成果后才予以颁发，这也是安东·蔡林格等三人完成证明实验近半个世纪后才拿到奖项的原因。在量子信息技术的现实应用上，中国科学家做出了伟大的贡献，取得了以“墨子号”为代表性的一系列重大成果，诺奖委员会也在新闻发布会和科学背景介绍中提到了很多中国科学家所做的工作。
2月29日，安东·蔡林格携他的首部中文科普译作《光子之舞》，与中国科学院院士潘建伟、北京理工大学教授尹璋琦，开展了一场关于量子信息的对话。以下为对谈内容转述节选。
爱因斯坦错了
爱因斯坦最广为人知的成就是提出了相对论，而令他获得1921年诺贝尔物理学奖的，是他提出的光量子假说，这成为了量子力学的基本概念之一。尽管如此，由于对量子力学理论基本框架并不满意，爱因斯坦开始质疑量子力学本身的完备性。他和两位同事在1935年发表的一篇著名论文中用“定域实在性”对量子纠缠进行了解释，这与尼尔斯·玻尔等坚持的量子力学认为“量子力学非定域性”完全不同。
尽管两种观点完全不同，但都能够解释量子纠缠观测结果的关联现象，因此这一争论长时间停留在哲学层面。一直到30年后的1964年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了贝尔不等式，才提供了通过实验检验这两种观点孰是孰非的可能。
从20世纪70年代起，以安东·蔡林格教授等三位诺奖得主为代表的物理学家们开展了大量实验，越来越严格地验证了对贝尔不等式的违背，从而证明了量子力学的正确性。他们也因此获得2022诺贝尔物理学奖。
安东·蔡林格简单解释这项为他赢得诺奖的实验：“诺贝尔奖是颁给我所做的实验的，而实验实际上证实了贝尔不等式的违背，从而开启了一项新技术的研究。证明过程很简单，取两个光子——也就是彼此纠缠的两个粒子——测量结果具有相关性。但我发现，两粒子间没有联系。比如说一边的测量结果，它会影响另一边的测量结果，但结果它们之间没有任何联系，也没有任何信息传输。这最终推翻了所谓的定域实在性世界观。”
潘建伟认为，诺贝尔奖是为了表彰安东·蔡林格在物理学领域做出的两大贡献。首先是认可他对纠缠光子实验的贡献，该实验证明了贝尔不等式的违背；同时诺奖也表彰了量子信息科学的先驱性工作，安东·蔡林格是领军人物，是对量子信息技术这个新兴领域做出贡献的最具影响力的科学家之一。
量子隐形传态：从科幻到现实
《星际迷航》等许多科幻作品中出现的传送术，往往是先对要传送的物体做一个扫描，在完全了解了它的信息之后，再根据这些信息在远处重建出这个物体。真实的量子隐形传态传递的是量子态，也就是粒子所携带的量子信息，而不是粒子本身。物理学家并不是让一个粒子在这里消失，在那里出现，而是让一个粒子的状态出现在远处的粒子上。
安东·蔡林格说：“如果我需要定义一个物体的信息，我所需要定义的所有信息，都是通过使用纠缠来完成的，这两个粒子之间的关系是它们作为两个部分纠缠在一起。然后你想要传输的那一个，将它和另一个纠缠在一起，那么量子态就出现一种有趣的现象：它没有被传输，而是在这里消失然后在那里出现。没有发生传输，没有产生关联。因为从某种意义上说，原来的粒子消失了，它失去了自己的属性。”
关于量子信息技术的意义和应用，安东·蔡林格提到量子密码，是唯一一种可以对信息进行由物理定律保证的安全编码的方式。在这个领域，中国已经创下了多项纪录，比如地面到卫星的长距离隐形传态，量子计算和量子传感和量子模拟。
潘建伟列举了两个量子信息技术实际应用的例子。第一个是安全电话，根据中国电信提供的数据，量子密话在网用户数量去年已经达到300万。第二个例子是结合人工智能和量子计算，能够提供强大的工具来解决一些传统的难题，比如量子化学和材料设计方面的一些问题。
几年前，尹璋琦和李统藏教授提出了一个理论建议：实现微生物或细菌量子叠加。当撰写论文的时候，他们意识到，这个理论建议也可以扩展到用于实现两个微生物之间的量子隐形传态，或者说，理论上可以利用量子纠缠将电子自旋态从一个微生物传输到另一个微生物。从前这是只能出现在科幻小说或者科幻电影中的场景，但他认为未来这是可以实现的。量子隐形传态将会有更多的应用。
安东·蔡林格说：我们的中国伙伴实现了从地面站到卫星的量子隐形传态，那么隐形传态的意义是什么？理论上你可以在没有发送信息的情况下，将一台量子计算机的输出传输到另一台量子计算机的输入，而如果你用电缆传输就需要密度。还有一点很重要的是，它是独立于时间和空间的，你甚至可以将一些信息隐形传输到过去，这一切真的很神奇。在真正的量子计算机之间建立隐形传态是我们努力的方向，其中包括量子中继器的问题，纠缠交换也在我们的实验之中，这是与建伟进行合作的工作，并且第一次真正意识到，我们可以将量子纠缠连接起来。
全书没有一个公式
安东·蔡林格在他的《光子之舞》一书中，介绍了量子信息这一激动人心的科学突破的始末。这些突破证明了令爱因斯坦困惑的量子理论的"诡异"方面。这本书充满魅力，通俗易懂。
潘建伟为此书作序推荐，他格外欣赏这本科普书的原因是：“我通读了整本书，没有一个公式，这是本书最为精彩之处。有些科学家会在自己的书中列举很多的公式，但在安东的书中，一个公式都没有。”
安东·蔡林格也说，《光子之舞》这本书是面向所有读者的，不仅是面向某些专业人士，更是面向所有那些对纠缠现象感兴趣、想要一探究竟的读者。
安东·蔡林格特别想对中国读者说的是：“量子物理学绝对是神奇的，《光子之舞》展示的实验证实了它是多么神奇。本书中两个学生之间互相探讨，他们就像你们一样，中国的年轻人，相信你们彼此很快就能成为朋友。”
作者简介
安东·蔡林格（Anton Zeilinger）
奥地利籍物理学家，现任奥地利科学院院长。2022年获得诺贝尔物理学奖。
塞林格长期从事量子物理和量子信息研究，是国际上量子物理基础检验和量子信息领域的先驱和重要开拓者。无论是理论还是实验，塞林格在量子物理基础检验方面建立了始创性的功绩。基于量子物理的基础检验，塞林格与同事开发出了多光子干涉度量学，进一步把它们广泛用于量子信息处理，具体包括量子密集编码、远距离量子通信、光量子计算等领域。其中，他在1997年首次实现量子隐形传态的工作，被公认为是量子信息实验研究的“开山之作”。
从1983年开始，塞林格一直与中国科学院、中国工程院等机构定期交流与合作。通过“墨子号”量子科学实验卫星，塞林格团队以合作形式参与到中国科学院主导的洲际量子通信实验。而且，还在全球第一次使北京-维也纳两地的量子保密通信成为可能，该成果入选了美国物理学会评选的“2018年度国际物理学十大进展”。
编辑推荐
本书作者权威，安东·蔡林格（Anton Zeilinger），奥地利籍物理学家，现任奥地利科学院院长。2022年获得诺贝尔物理学奖，内容兼具了权威性和通俗性，从量子物理的角度切入，引入一些现实问题和实验，引发读者的兴趣点；同时引发行业和读者对未来的展望。这本书的最大贡献在于，提出了隐形传态的重要理论，解决了量子物理学的难题量子纠缠，为量子力学的发展实现了重大理论突破。本书将会在量子物理的理论研究和社会实践上给读者带来权威的解读和全新的视角。
专家推荐
在我看来，蔡林格教授的这本书，专业而浪漫，严谨又风趣。它不仅仅是非量子信息专业的读者了解该领域基本概念、理论和实验成果的一个窗口，对于我国的科普工作者来说，在写作方法上也有值得借鉴学习之处。我愿读者们能够仔细地体会这本书中的妙处。
中国科学院院士
中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长
中国科学技术大学常务副校长
潘建伟
设计：阿萌
排版：阿萌
美编：农民
责编：理趣
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