專訪諾獎得主安東·蔡林格：把量子力學推到新的極限

來源：三聯生活週刊

2018年9月末的一個下午，維也納的天氣微涼。我在維也納大學物理系見到了著名物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），並在他的辦公室裏對他進行了專訪。蔡林格教授在量子光學領域可謂大名鼎鼎，多年來他一直在嘗試突破量子實驗的極限，實現了多個具有開創性意義的實驗，拓展了人類對於量子世界的認識。他也因此獲得了艾薩克·牛頓獎章（Issac Newton Medal）和沃爾夫獎（Wolf Prize）等榮譽。

蔡林格教授也是量子通訊領域的開創者，多年來他操縱處於糾纏狀態的光子完成了多個看上去令人不可思議的實驗，不僅開創了一個全新的物理學研究領域，更開啓了一個具有極高商業前景的潛在市場。而中國著名物理學家潘建偉的博士導師正是蔡林格教授。

我在那個時間和蔡林格教授見面並非偶然。我當時正在準備關於即將在10月初宣佈的當年諾貝爾獎的報道。選擇在前往瑞典之前與蔡林格教授見面，是因爲他是我心目中獲得諾貝爾物理學獎的熱門人物之一。在採訪的最後，我詢問他是否期待一份諾貝爾獎，蔡林格教授也坦然地給出了回答。終於，在四年之後，蔡林格教授獲得了這份物理學界的最高榮譽，可謂當之無愧。

文 | 苗千

這個世界是被數學規則所限定的

三聯生活週刊：你曾經提到過，當你還是一個小孩子的時候，你被父母拴在了一座塔上，因此你每天只能好奇地四處看着各種東西。

蔡林格：這個故事是真的，但我不是被父母拴在一座塔上，而是在鄉下的一個城堡裏。這個城堡大約在維也納西邊100公里的位置。因爲我爸爸當時在那裏做老師，所以我們家都住在那個城堡的二層。我當時喜歡到處看，而我的父母又擔心我會掉下去，所以他們就把我拴在了窗戶邊上。我只能每天花一兩個小時的時間坐在窗邊——或許是更久的時間吧——只是出於好奇，到處看。

三聯生活週刊：你現在仍然對一切都還感到好奇嗎？

蔡林格：是的，絕對還是這樣。我相信，只要觀察得足夠近，那麼一切事物都會是非常有趣的。

三聯生活週刊：這是否也是你後來決定成爲一個物理學家的原因？

蔡林格：其實我也不知道自己爲什麼會成爲一個物理學家。從童年的時候起，我就希望能夠弄清楚所有東西的運轉原理，我總是很好奇。我也不是一個工程師類型的人，因爲每次我把東西拆開，我總是沒法把它裝回原樣。另一方面，我覺得把東西拆開就可以理解它工作的原理，但是再把它組裝成原樣其實就學不到什麼了。

三聯生活週刊：所以說相比於工程師，你更是一個物理學家。

蔡林格：是這樣的。在大學時我選擇了物理學專業，但我又總是想和現實聯繫起來。所以在大學時代，我總是在思考我應該更專注於理論還是更專注於實驗。正是因爲我更希望與現實有所聯繫，我才選擇了實驗物理學。

三聯生活週刊：你也說過“我研究物理學的主要原因是我喜歡基礎性的問題”，那麼對你來說，最重要、也最令你困惑的基礎性問題是什麼呢？

蔡林格：我想對我來說最重要的問題就是，爲什麼是數學，這樣一種在我們大腦中形成的理論，能夠如此準確地描述這個世界。這是一個非常有趣的問題，而且我想沒有人知道其中的答案。這個世界是被數學規則所限定的，一些規則是概率性的，另一些規則是決定性的，但總是會有各種數學規則出現。這究竟是爲什麼？數學規則爲什麼如此準確？

想象一下，人們都會坐飛機，全世界每年要售出20億~30億張飛機票。人們乘坐飛機旅行，是因爲人們相信那些物理學法則——不僅僅是空氣動力學中的伯努利方程，還要運用其他的物理學法則，比如關於飛機引擎的理論等。這些理論真的在起作用！但究竟是爲什麼呢？

三聯生活週刊：那麼你是否覺得這個世界的規則歸根結底是由某種數學語言書寫的呢？儘管我們現在可能還不能理解它。

蔡林格：我想是這樣的。

三聯生活週刊：你最開始利用中子進行實驗，後來又改用光子，這是因爲光子更容易操縱嗎？

蔡林格：這是個非常好的問題。最開始我利用中子進行實驗，同時我也對一些基礎性實驗感興趣。之後在大約上世紀七八十年代，我開始對量子糾纏實驗感興趣，於是我開始嘗試，是否能夠利用中子進行量子糾纏實驗。但是我發現即使是在最高的流量中，中子的相空間密度（Phase Space Density）也太低了，不可能進行量子糾纏實驗。這種情況可能只有極少數的例外，比如在覈彈中（中子的相空間密度會很高），但你可沒辦法在實驗室裏進行這種實驗！

所以我開始很清楚地認識到，想要進行量子糾纏研究，光子會是一個更好的選擇，或者也可以利用原子。所以我開始同時對光子和原子都產生了興趣。我嘗試進行了原子干涉實驗、分子干涉實驗，現在我們正在利用氦原子進行一種難度非常高的量子糾纏實驗。這樣的實驗將會是對愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），也就是在“EPR論文”中提出的假想態（粒子的位置和動量都處於糾纏態）進行最直接的驗證。

對於這樣的假想態也有等效實驗。人們可以利用光子進行量子糾纏實驗，這在數學上等效於粒子的位置和動量都處於糾纏態，但在物理學上這兩個實驗是不相同的。所以我們試圖利用氦原子直接進行量子糾纏實驗。只要我確定利用氦原子的量子糾纏實驗能夠行得通，就像我們利用光子進行很多量子糾纏實驗一樣，接下來有很多新的實驗我們可以利用氦原子進行了。（注：愛因斯坦、波多爾斯基、羅森三位物理學家在1935年共同發表了一篇論文《能認爲量子力學對物理實在的描述是完全的嗎？》，提出了一個假想實驗以質疑量子力學的完備性，這篇論文在學術界引發的爭議至今仍未平息。這也是物理學界最著名的論文之一。）

三聯生活週刊：爲了探索量子世界和經典世界之間的界限，你有沒有試着利用活細胞進行量子雙縫干涉實驗？

蔡林格：我從來沒有嘗試過這樣的實驗，但是我相信，這樣的實驗在未來是可以實現的。從根本的原則來說，使用細菌進行雙縫干涉實驗是可以成功的，當然這也需要納米工程學的進展。我們需要納米材料來保護實驗過程中的細菌能夠存活。這些條件我們都有可能達到。隨着納米技術的進展，這樣的量子干涉效應是會被觀測到的。

量子世界與經典世界之間並沒有界限

三聯生活週刊：能否請你用簡單的語言介紹一下什麼是量子糾纏（Quantum Entanglement）？

蔡林格：對我來說，可以把量子糾纏比喻爲同卵雙胞胎——具有相同基因的兩個人。雙胞胎具有完全相同的基因，因此看上去完全一樣，所以當我看到其中的一個人，那麼我立即就知道了另外一個人的特性也與我看到的這個人完全一樣——比如說眼睛的顏色——無論另一個雙胞胎身在何處。

如果這是兩個處於量子糾纏狀態的雙胞胎，那麼就存在着一個問題：並沒有基因可以決定一對處於量子糾纏態的雙胞胎的眼睛顏色，它們是不確定的。當我看到其中一個雙胞胎的眼睛顏色，我所看到的他的眼睛的顏色是隨機的，同時另外一個雙胞胎的眼睛也獲得了相同的顏色——無論他距離我有多遠。

我們通過很多次不同種類的實驗明白了，這種量子糾纏現象，沒有通過一種所謂的“基因的隱藏屬性”來解釋，同樣也不能通過雙胞胎之間存在着某種通信來解釋，因爲它們之間溝通的“速度”遠超光速。因此我們沒有辦法通過常理，利用日常的語言來解釋這種現象，但是我們可以通過數學來解釋這種現象，這就是量子力學。所以從這個角度來說，這並不是某種神奇的物理現象，但它確實會挑戰我們的日常認知。（注：量子糾纏現象是在微觀量子領域存在的一種令人極其費解的自然現象。人類至今沒有理解量子糾纏現象的本質，但是已經可以利用量子糾纏進行量子計算方面的研究。）

三聯生活週刊：你是一個喜歡進行哲學思辨的物理學家嗎？在量子力學中蘊含的一些哲學思想是否會讓你感到苦惱？你是否需要思考在物理學之後所蘊含的哲學問題？

蔡林格：哲學是一個大問題，而量子力學（從物理學的角度來說）是一個完美的理論。我想要理解的問題是，從最基本的邏輯學和哲學原理來考慮，爲什麼會存在量子力學？

比如說在相對論中，我們對於相對論的基礎，也就是相對性原理理解得已經很透徹了。在一個慣性系裏，你無法判斷自己是處於靜止狀態還是處於勻速直線運動狀態，比如你是靜止不動還是坐在一輛勻速行駛的火車裏。另一方面，如果有一種力向下拉拽你，你也無法判斷自己是處於一個重力場中還是在做加速運動——比如在一個電梯裏。（相對論）的基本原理都是非常合理的。我相信，如果在量子力學中也存在類似的基本原理，我們一定會發現它的。

（從哲學的角度來說）對於量子力學的哲學詮釋，我並沒有什麼看法。但是我認爲只要我們還不知道量子力學將向什麼方向發展，那麼對於量子力學有不同的理解就是一件好事，因爲這可能給我們帶來靈感。我個人傾向於（對於量子力學的）哥本哈根詮釋。但是隻要還存在其他不同的詮釋，你就無法通過實驗辨別出其中的區別——當然如果我們可以改變量子力學的形式，事情就會完全不一樣了。我之所以最傾向於哥本哈根詮釋是因爲它使用了最少的概念。它不會假設粒子的位置，也不會假設存在很多不同的宇宙，諸如此類。因此它是最爲基礎的詮釋，也就意味着它最具有開放性。

三聯生活週刊：作爲一個在維也納學習和工作的奧地利人，你是否也受到了維也納學派的影響？

蔡林格：是的。我發現自己不僅受到了維也納學派的影響，同時也受到了維也納實證主義態度的影響。關於這一點，我是在1977年的時候才發現的，那一年我去了麻省理工學院，在那裏工作了一年時間。我忽然意識到，維也納的氛圍是非常獨特的。在維也納，你可以對一些非常基本的問題發問，同時維也納的風氣也更加哲學化，即使在物理學界也是如此。這真是一種非常獨特、非常有趣的環境。

在美國，人們都更加實際。大多數研究量子力學的物理學家和哲學家都是從現實主義角度出發的。有些人認爲量子力學的隱藏參量是以某種複雜的形式存在的。這種態度也並無不可，可以說整個美國文化的成功就是建立在從一種實際的角度出發去尋求解決問題的途徑。因此從最開始，從美國研究量子力學的開創性人物開始，他們就有一種更實際的態度，這是好事。但是我想在世界的其他一些地方，有另外一種研究理念，這也是一件好事。

三聯生活週刊：埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）同樣來自維也納，他提出了量子力學的波動性理論，但後來他發生了轉變，與愛因斯坦看待量子力學的觀念相似，並不相信所謂量子力學的波函數。你是否也受到了薛定諤的影響？

蔡林格：埃爾溫·薛定諤是一位非常非常複雜的物理學家。我認爲他與愛因斯坦並不一樣。如果你去讀一下他的書《生命是什麼》，就能夠在其中瞭解到他對於世界的哲學看法。他在書裏寫他認爲人類是處於一種物質和意識共存的狀態，這與當今大多數物理學家的看法相反。薛定諤還寫了一些更加激進的內容，他認爲在世界上存在一個整體意識，而我們都是這個整體意識的一部分。這種觀點愛因斯坦是絕對不會同意的。

三聯生活週刊：那麼你會把人的意識放在量子力學中一個很特殊的位置上嗎？

蔡林格：只有你先告訴我人的意識是什麼，我才能回答這個問題。因爲我真的不知道。我想其中最關鍵的部分在於信息。信息與知識不同，它是一種讓人獲得知識的可能性。所謂的波函數是一種關於量子狀態的可能性，可能取得的實驗結果的描述，歸根結底，這是一種人們獲得某種知識的可能性。這需要人的意識參與其中。這爲什麼需要人類意識的參與？意識的角色爲什麼如此特殊？這些都是開放性的問題。

三聯生活週刊：想要解決這些問題，作爲一個實驗物理學家，你是否會和哲學家們一起工作？

蔡林格：我曾經邀請過哲學家進行合作。從美國的一個科學基金獲得支持之後，我曾經邀請哲學家來實驗室訪問，而且與哲學家的談話總是非常有趣。讓哲學家參觀我們的實驗並且給出建議對我們的研究有很大幫助。

三聯生活週刊：你完成了很多的量子力學實驗，並且把量子力學推進到了一個新的極限。那麼你是否觀察到在量子世界和日常的所謂經典世界之間存在着某種界限？

蔡林格：兩者之間並沒有界限。尼爾斯·玻爾有一句名言：所謂的經典物體就是我們能夠用日常語言來談論的對象。當談到量子對象，玻爾說他沒有辦法談論量子對象，因爲並沒有合適的語言——爲什麼會這樣？這說明了什麼？當一個所謂的經典物體變得越來越大，那麼它就有越來越大的可能和周圍的環境發生相互作用，而每一次相互作用都讓（這個物體的）信息向周圍的環境流動。所以說你與周圍環境的接觸越多，你就越有可能顯得像是一個“經典物體”。

但是量子世界與經典世界之間並沒有一個界限。就像我們利用富勒烯分子進行量子實驗，在實驗中富勒烯是一個量子物體，而在其他的實驗中它又是一種經典物體。通過一個掃描隧道顯微鏡的觀察，你可以知道一個富勒烯分子在哪裏，你可以看到它的結構和一切細節，因爲你和富勒烯分子之間存在相互作用。因此所謂的量子世界和經典世界並不是固定一成不變的。一個物體屬於量子物體還是經典物體，這取決於實驗的設置，與周圍環境的分隔。你永遠無法在兩者之間劃出一條界限來。

我期待着把量子世界的範圍一直向經典世界推進，從非常非常小的單個物體，逐漸發展到越來越大的分子，然後再繼續推進。我不知道這其中真正的限制會在哪裏，但可以肯定的是，讓一隻貓呈現出量子態純粹是幻想了。

三聯生活週刊：理查德·費曼曾經說過，沒有人理解量子力學。你仍然認爲自己也不理解量子力學嗎？

蔡林格：我們可以理解的是，我們可以通過量子力學進行一些實驗和工作。但是在更深的意義上，我認爲正如費曼所說，爲什麼會出現量子力學，這一點我們都不理解。這與我們對於相對論的理解程度完全不同。費曼也說過，一開始只有少數的幾個人理解相對論，但是隨後就有越來越多的人理解了它。量子力學則完全不同。或許在未來的某一天我們能夠對它有更清晰的認識。

三聯生活週刊：在愛因斯坦著名的“EPR論文”中，他提出量子力學是正確的，但可能是不完備的。作爲一個量子力學專家，今天你會如何向他解釋他提出的“EPR悖論”呢？

蔡林格：我會說，很抱歉，愛因斯坦先生，你的結論是錯誤的。我的一位同事，著名的美國物理學家邁克爾·霍恩（Mike Horne），多年前在他的博士論文裏就證明了，“EPR悖論”中關於隱含變量一定存在的結論是錯誤的。所以我會直接告訴愛因斯坦，他的結論是錯誤的。但我不知道他會如何回應。

三聯生活週刊：從這個角度來說，你是否拋棄了事物的局域性和因果性？

蔡林格：問題就在於，在某種程度上你不得不拋棄事物的真實性和局域性概念的兩者之一，這是非常困難的。我也會非常小心，我不會認爲完全拋棄因果性是一個正確的選擇。在處理這些問題時人們必須非常小心。但是在某種程度上，你必須拋棄真實性的概念，也就是說在你通過實驗來測量物體的某一個特性之前，這項特性並不存在。

也就是說，所謂的實在性概念有一個問題，局域性概念同樣也有問題，因爲（在量子世界）相互作用的速度遠超光速，這（在經典世界中）是不允許的。我的個人觀點是我們需要理解，所謂的真實性和局域性問題已經不再重要，這些都是“舊問題”，應該把它們都拋棄掉。

中國是量子通信領域的領跑者

三聯生活週刊：你現在正試着利用處於糾纏態的光子建造一個安全的通信網絡。

蔡林格：這樣的量子通信網絡已經建成了，（在這個領域）目前中國是領跑者。

三聯生活週刊：你首先在維也納建造了量子通信網絡，之後你的學生潘建偉又在中國建造了一套量子通信網絡，現在又在利用衛星進行量子通信實驗，真是非常了不起的工作。

蔡林格：量子網絡已經不是面向未來的技術了。人類用網絡來交換信息，而量子通信網絡可以保證通信的安全性。人們想要在城市之間通信，比如在不同的大使館裏，就可以建立安全的量子通信網絡。這在很多對安全性要求高的通信中都非常有價值。

三聯生活週刊：人類會建造出一個全球性的量子通信網絡嗎？

蔡林格：我相信會建成這樣的量子通信網絡，而且不會只有一家。中國，可能還有其他國家，包括美國都在建造量子通信網絡。以後可能還會有私人企業參與進來。

量子衛星首席科學家潘建偉院士在中國科大量子存儲實驗室中瞭解科研情況（攝於2017年4月）（圖|人民視覺）

三聯生活週刊：但也有人批評量子通信網絡的造價太高，而且容易受到攻擊。

蔡林格：如果採用正確的方式建造，那麼量子通信網絡就只會受到外界的攻擊而被打斷，造成雙方無法通信。但是進行攻擊的第三方也無法獲得通信信息。我相信在很多場合，信息安全都是非常重要的，而且人們願意付高價以保障通信安全。一些高度機密的商業談判，比如在航空公司購買商業航線的談判中，人們就會希望通信絕對保密，不會被競爭對手知曉本方的出價。所以說，量子通信技術有很大的商業前景，更不用提它的軍事價值了！

量子通信網絡的發展會像電腦一樣，最初只有三四臺電腦被用於軍事用途，而現在每個房間裏幾乎都有一臺電腦。原因有兩個：首先，技術進步了，它可以實現很多人們預想不到的功能；第二個原因就是價格下降了。在量子通信領域也會發生類似的事情。

三聯生活週刊：你的研究雖然在本質上相同，但我認爲在實驗領域卻走向了兩個相反的方向。一部分實驗越來越複雜，花費也越來越大，比如量子衛星實驗需要國家級別的投入；而另一個方向則非常簡單，例如通過雙縫干涉實驗來研究微觀干涉現象。你更傾向於通過哪一類實驗來進行研究？

蔡林格：我仍然對基礎問題非常感興趣。現在一些重要的實驗項目涉及實現多離子或多光子的糾纏態等。目前潘建偉實現了最多光子數的糾纏，而世界上第一次實現多於兩個光子的糾纏態實驗就是在維也納進行的，當時潘建偉也參與了這個實驗。這就是一種非常典型的基礎研究。當時世界上沒有任何人在實驗室裏見到過多於兩個光子的量子糾纏，而現在這項技術對於量子通信非常重要，這也說明了基礎科學研究的重要性。

我一向對基礎科學問題感興趣，當然也和其他的研究者，比如潘建偉，進行過一些應用方面的研究。但我對於發展技術並不是特別感興趣，對我來說基礎問題更有趣。研究量子力學的非局域性，檢查不同的理論漏洞，這都是對於量子加密技術是否安全的重要條件。這些問題都非常有趣，也都是開放性的問題。

三聯生活週刊：你做了很多著名的實驗，哪一個是你自己最喜歡的？

蔡林格：對我來說，我最喜歡的實驗是實現三個粒子和四個粒子的糾纏態。因爲這開創了一個全新的科學領域，也開創了一個全新的應用領域，比如量子加密。實現多粒子糾纏態實驗是一個讓人激動的事情。我們與格林伯格和歐文共同發現了多粒子糾纏可能性。從那個時候開始，我就一直希望能夠在實驗室裏實現這個量子態。這花了我將近10年的時間。

在今天看來實現這個實驗很簡單，但是在當時沒有人知道該怎麼做才能讓三個或者四個粒子處於糾纏狀態。我們在1987年或是1988年發現了“GHZ態”，之後又走了很多的彎路。那個時候我還沒有進行光子糾纏實驗，我的研究組需要學習量子糾纏，還有相關的技術。在這方面，羅切斯特大學的倫納德·曼德爾（Leonardo Mandel）給了我們很大的幫助，他給我們很多無私的建議，他總是對我在實驗方面的問題毫無保留。我們最終在1994年、1995年，首次實現了“GHZ量子糾纏實驗”。

三聯生活週刊：當時在全世界有很多實驗室都在進行類似的量子實驗，你們之間的關係是競爭者還是合作者？

蔡林格：我們之間有些是競爭關係，有些是合作關係，而有些是兩者兼備。

三聯生活週刊：在物理學界你已經贏得了很多的獎項，你是否期待能夠獲得諾貝爾獎呢？

蔡林格：對於任何一個物理學家來說，贏得諾貝爾獎都是極高的榮譽。有太多出色的科學家配得上諾貝爾獎，對於諾貝爾委員會來說會很難做出決定。我想我在20年前已經完成了自己最重要的工作，就是多光子糾纏實驗——這項實驗還有一個副產品就是量子隱態傳輸實驗；我們同樣做了一些關於量子門和量子計算的實驗——這些就是我最重要的成就了。

我現在仍然在這個領域進行研究，就是因爲我真心地喜歡這項工作。雖然名義上我已經退休了，但是我仍然每天都來實驗室，這對我來說是最重要的事情。我希望能夠引導年輕人對科學感到激動，並且進行一些有趣的研究。