尼古拉·吉桑 （日內(nèi)瓦大學(xué)教授）
從小開始，我們就知道該如何接觸一個(gè)我們夠不到的物體：要么我們向它挪動，比如像嬰兒那樣爬過去；要么我們得用一個(gè)物件，比如說一根木棒，作為我們延長的手臂觸碰它。后來，我們了解到，更復(fù)雜的機(jī)制也是同一原理。比如：把一封信放進(jìn)信箱，信會先由郵遞員集中起來，手工分類或者用機(jī)器分類，接著裝上大貨車、火車或者飛機(jī)，然后運(yùn)往目的地。網(wǎng)絡(luò)、電視以及其他數(shù)不勝數(shù)的日常案例告訴我們：任何兩個(gè)相隔的物體之間的相互作用總是從一點(diǎn)到另一點(diǎn)連續(xù)發(fā)生的——這些傳播方式依據(jù)的也許是某些復(fù)雜的機(jī)理，但是這些傳播都是連續(xù)的，我們能在空間和時(shí)間中定位其軌道，至少原理上是可以的。
然而，量子物理，這種研究我們?nèi)粘８兄澜缰獾膶W(xué)科，斷言相互之間距離很遙遠(yuǎn)的物體有時(shí)能構(gòu)成一個(gè)整體。這樣，盡管兩個(gè)物體被遙遠(yuǎn)的空間所分割，如果我們觸碰兩個(gè)物體中的一個(gè)，這兩個(gè)物體都會振動！如何才能相信這種事情？能對這樣一個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證么？我們需要搞清其原理么？我們能利用量子物理的這個(gè)“古怪”之處，即“分散的物質(zhì)能構(gòu)成一個(gè)整體”這個(gè)概念，來做到遠(yuǎn)距離通信么？這正是我們這本書要試圖回答的主要問題。
我將會和你們分享這個(gè)從另一世界得來的迷人發(fā)現(xiàn)。這個(gè)世界中萬物并不以連續(xù)的、點(diǎn)對點(diǎn)的方式相互作用，而是通過“非局域”的方式相連接。
在介紹這本書的核心概念“非局域性”之前，我先講兩個(gè)小故事，這將幫助你了解我們的故事所發(fā)生的背景。一個(gè)是真實(shí)的故事，發(fā)生在遙遠(yuǎn)的過去;另一個(gè)是想象的場景，在不遠(yuǎn)的將來也許會成為現(xiàn)實(shí)。
牛頓的萬有引力定律眾人皆知，即：物體間存在著相互吸引作用，而且相互吸引的大小取決于它們的質(zhì)量以及相互之間的距離（更精確地說，作用力與相互距離的平方成反比，但是在這本書里這不是核心問題）。比如，太陽和地球通過引力聯(lián)系在一起。引力充當(dāng)向心力，使得地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)的近圓軌道上運(yùn)行。這種聯(lián)系對于其他系統(tǒng)也適用，包括地月系統(tǒng)，甚至圍繞著星系團(tuán)中心旋轉(zhuǎn)的銀河系。
讓我們首先分析一下地月系統(tǒng)。月球所受到的來自于地球的吸引力取決于地球的質(zhì)量以及地月之間的距離，月球如何感知到這一作用形式的？即，月球究竟如何感知地球的質(zhì)量和兩者之間的距離？難道它像我們前文提到的那樣，伸出一根很長的棒子碰到了地球？或者它向我們發(fā)射某種微粒進(jìn)行探測？它們究竟是通過哪種特殊的方式進(jìn)行了交流呢？這種問題看似幼稚，其實(shí)卻很嚴(yán)肅，牛頓對其充滿不解，并為之陷入困惑的深淵。萬有引力定律，牛頓創(chuàng)立了它并且通過它贏得了巨大聲望，但在他自己看來，這一理論荒謬至極，“頭腦清醒的人都不會將它當(dāng)作一回事兒。”（見“百寶箱”）。
牛頓
“我們這里所論及的引力應(yīng)是物質(zhì)固有的、內(nèi)在的、本質(zhì)的屬性。因此，一個(gè)物體可以不通過任何介質(zhì)而穿過真空中的距離對另一個(gè)物體產(chǎn)生作用，并將它們的作用(Action)和力(Force)傳送給對方這一事實(shí)對于我來說簡直就是一個(gè)天大的謬論。因此，我相信，任何有足夠的哲學(xué)思維能力的人都不會沉溺于此。”[ Cohen B, Schofield R E. Isaac Newton Papers and Letters on Natural Philosophy and Related Documents. Harvard University Press, 1958.]
目前，我們可以肯定地說，牛頓的直覺是正確的。雖然，為了彌補(bǔ)牛頓理論的概念性空白，付出了物理學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)的艱辛以及愛因斯坦的天賦、智慧。時(shí)至今日，物理學(xué)家們知道引力以及正負(fù)電子間的相互作用并不是瞬間發(fā)生的，而來源于某種“信使”的傳播。因此，上面提到的“微?！奔僭O(shè)是正確的。物理學(xué)家對這些作為信使的微小粒子進(jìn)行了命名：引力的信使被稱為引力子(graviton)，電磁力的信使則被稱為光子(photon)。
沿著這種物理學(xué)思維方式，自愛因斯坦始，物理學(xué)將大自然描述為一個(gè)只能在空間中進(jìn)行連續(xù)的、逐點(diǎn)相互作用的局域性實(shí)體的集合。這個(gè)觀點(diǎn)當(dāng)然符合我們對世界的直覺，也符合牛頓的觀點(diǎn)。但是現(xiàn)代物理學(xué)同樣建立在另一根理論支柱——量子力學(xué)之上，它被用于描述原子和光子的世界。愛因斯坦參與建立了這個(gè)理論。在1905年，他將光電效應(yīng)解釋為：光線中的微粒，即光子通過轟擊金屬表面并與表面的束縛電子發(fā)生相互作用而激發(fā)出電子，就像運(yùn)動的彈球間的相撞一樣。但是，隨著量子物理的發(fā)展和成形，愛因斯坦開始排斥、批評這個(gè)理論，因?yàn)樗芸觳煊X到為了維護(hù)這場物理“鬧劇”，需要引入一種超距離相互作用的概念。就像三個(gè)世紀(jì)前的牛頓一樣，愛因斯坦排斥這種假設(shè)，他認(rèn)為這是荒唐的，并將之形容為“幽靈般的超距作用”(a spooky action at a distance)。
今日，量子力學(xué)殿堂金碧輝煌地聳立起來了，成為現(xiàn)代物理學(xué)的核心。它確實(shí)蘊(yùn)含著一種可能讓愛因斯坦頗為不悅的非局域性概念，雖然在本質(zhì)上，這種非局域性與困擾牛頓的非局域性迥然不同。除此之外，這種量子非局域性是由牢固的實(shí)驗(yàn)支持的，我們甚至發(fā)現(xiàn)了它在密碼技術(shù)上的應(yīng)用前景，它同樣使量子通信這一讓人驚異的技術(shù)成為可能。
接下來的故事乍看起來好似不夠奇幻，但卻是個(gè)科幻故事。或許，不久的將來這個(gè)故事將通過科技變成現(xiàn)實(shí)。
我們想象一下兩個(gè)朋友在打電話。為求簡便，我們根據(jù)字母表的順序分別命名他們?yōu)榘愃?Alice)和鮑勃(Bob)（ Alice和Bob是量子世界中常用的兩個(gè)虛擬人物。）。兩人以前打電話，有時(shí)會出現(xiàn)信號不好或者有雜音的情況，這次也不例外。不過這次通話實(shí)在難以進(jìn)行，因?yàn)轷U勃所說的艾麗斯一點(diǎn)也不能聽清。她能聽到的只是連續(xù)的噪音：
“c-h-r-z-u-k-s-c-r-y-p-r-r-s-k-r-z-y-p-c-z-y-k-r-t-……”。
同樣，鮑勃聽見的也只有相同的噪音：
“c-h-r-z-u-k-s-c-r-y-p-r-r-s-k-r-z-y-p-c-z-y-k-r-t-……”。
他們徒勞地對著話筒大喊大叫，反復(fù)通話，在電話線長度允許的最大限度下改變電話在公寓的位置，而這些都不起作用。多惱人！這個(gè)電話實(shí)在名不符實(shí)，用它兩人根本無法交流。
不過，艾麗斯和鮑勃都是從事物理學(xué)的學(xué)生。他們各自記錄下了這個(gè)“儀器”發(fā)出的一分鐘時(shí)長的噪音。這樣，艾麗斯能向鮑勃證明她已經(jīng)盡了最大的努力去嘗試?yán)斫膺@些聲音，鮑勃也是如此。令人驚奇的是：兩個(gè)朋友所記錄的噪音竟然嚴(yán)格一致。他們使用的是數(shù)字記錄儀。艾麗斯和鮑勃發(fā)現(xiàn)，他們兩人所記錄信息的每一個(gè)比特都是相同的。實(shí)在難以置信！這個(gè)聲音肯定來源于接線員，或者電話線上的某處。由于聲音是完全同步的，他們認(rèn)定：聲源應(yīng)該在電話線的正中點(diǎn)，這樣它剛好可以同時(shí)到達(dá)艾麗斯和鮑勃那里。
兩個(gè)朋友決定驗(yàn)證他們的假設(shè)。他們設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來證明他們的猜測：噪音的起因是連接他們的電話線的正中間處的電子元件出現(xiàn)了故障。艾麗斯提議用一截長電纜來延長她的電話線，這樣，相對于鮑勃，她接受到的噪音將會略有延遲。但事實(shí)并非如此，一切都沒任何改變！兩邊所接受到的噪音不僅依然完全一樣，它們到達(dá)記錄儀的時(shí)間也完全同步。鮑勃提議，那么就切斷電話線吧！但是聲音依然存在！
如何解釋這個(gè)現(xiàn)象呢？難道聲音不是通過電話線傳導(dǎo)的么？是因?yàn)橛腥藷o意中把一個(gè)無線電話掛在墻上了么？要不然就是聲音是電話自己產(chǎn)生的，而不是兩個(gè)電話間的某個(gè)聲源造成的。難道是因?yàn)槟硞€(gè)遙遠(yuǎn)星系爆炸后讓這兩臺能接受信息的電話產(chǎn)生了同樣的聲音？如何證明這些假設(shè)呢？鮑勃具有電磁學(xué)的知識，他把自己關(guān)在了法拉第籠(faraday cage)里，這是一種金屬網(wǎng)絡(luò)的籠狀結(jié)構(gòu)，可以屏蔽一切試圖進(jìn)入其中的無線電波。但聲音依然存在。艾麗斯提議，他們相互遠(yuǎn)離對方——很遠(yuǎn)，很遠(yuǎn)……這樣的話，不論這個(gè)聲音是通過何種力學(xué)機(jī)制傳播的，聲源和接收者之間的聯(lián)絡(luò)強(qiáng)度將隨兩者之間的距離增加而漸漸減弱，直至消失。但是又一次，什么都沒有發(fā)生改變，一切如初。
艾麗斯和鮑勃對他們的遭遇如此下結(jié)論：他們的電話聽筒記錄了一長串的聲音，只要每次拿起話筒，電話都將重新播放這串聲音；而且這一串聲音是精確地依據(jù)時(shí)間而仔細(xì)排列的。這樣，兩部電話便會總能同步地產(chǎn)生同樣的聲音。
因?yàn)閷ふ业搅藛栴}的合理解釋，艾麗斯和鮑勃感到了巨大的愉悅，他們自豪地將新發(fā)現(xiàn)告訴教授。教授及時(shí)稱贊了他們的努力，但是說：“你們的結(jié)論——兩個(gè)電話通過某種共同原因，即兩個(gè)電話話筒事先已經(jīng)記錄下了相同的聲音，而可以同步產(chǎn)生同樣的聲音——只是一個(gè)猜想。這個(gè)猜想是能夠被檢測的。這種檢測，我們稱之為貝爾檢測(Bell test)?！必悹枡z測，或稱為貝爾游戲，將在隨后的章節(jié)為大家展示。在眼下，你們只需知道，艾麗斯和鮑勃匆忙返回他們的房間，加緊對他們的電話實(shí)施貝爾檢測，卻失敗了。他們重復(fù)了很多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果總是一樣。電話話筒自身記錄聲音的這個(gè)理論被否定了。
艾麗斯和鮑勃不斷思索：究竟是什么力學(xué)機(jī)制讓他們的電話在相距很遠(yuǎn)，且沒有提前記錄信息，沒有相互聯(lián)系的情況下產(chǎn)生了同樣的聲音。他們白白地耗費(fèi)頭腦，完全想象不出該如何解釋這種現(xiàn)象。他們回去詢問教授，教授回答：“你們找不出是什么力學(xué)機(jī)制并不讓我驚訝，因?yàn)楦緵]有這種力學(xué)機(jī)制；這不是一個(gè)力學(xué)問題，而是量子物理。聲音是隨機(jī)產(chǎn)生的，而且是真正的隨機(jī)。聲音的每一個(gè)比特在電話話筒產(chǎn)生它之前都是不存在的。還有，這種量子隨機(jī)可以在幾個(gè)地方同時(shí)出現(xiàn)，比如在你們的兩個(gè)電話話筒中。”
“但是，”艾麗斯大聲說：“這不可能。信號應(yīng)該隨著電話之間的距離遞減，不然這意味著我們可以在任意距離上聯(lián)絡(luò)?！?/span>
“還有，”鮑勃說：“完全同步意味著任意速度的通信，比光速還快。這不可能！”
教授依然保持冷靜：“你們說過，盡管你們改變了位置，轉(zhuǎn)向其他方位，或者搖晃電話，聲音卻還是不變?，F(xiàn)在你們意識到了吧，隨機(jī)產(chǎn)生的聲音并沒有讓你們成功交流，你們話筒另一邊的人也沒有從你們做的那么多事中得到任何信息?！彼^續(xù)總結(jié)：“因此這沒有和愛因斯坦的相對論沖突，你們很好地證明了沒有任何通信傳播能比光速更快?！?/span>
艾麗斯和鮑勃無言以對。的確，在這場電話鬧劇中，他們并沒有實(shí)現(xiàn)任何交流，因此這個(gè)設(shè)備根本不能稱為電話，雖然它有著一般電話的樣子。但是它們是如何在不交流、不事先串通的情況下一直產(chǎn)生相同聲音的呢？真隨機(jī)能同時(shí)出現(xiàn)在好幾個(gè)不同的地方的解決方案又意味著什么呢？片刻的沉默后，鮑勃恢復(fù)了清醒，開始了新的思考：“事情如果真的如此，那么我們應(yīng)當(dāng)可以利用這種現(xiàn)象設(shè)計(jì)些具體的應(yīng)用方案。建造一些具體的東西，研究、使用它，直到明白在表面現(xiàn)象的背后，它是怎么運(yùn)作的。畢竟，我們也是如此搞清楚了電的原理，球的旋轉(zhuǎn)如何改變其運(yùn)動軌跡等。事實(shí)上，我們對事物的一切了解都是這樣得到的?！?/span>
“對！”教授總結(jié)道：“這個(gè)現(xiàn)象可以用來生成隨機(jī)數(shù)，給機(jī)密通信進(jìn)行加密，我們稱其為量子加密技術(shù)，它還能應(yīng)用于量子通信?！钡牵覀兪紫缺仨毨斫馄浔澈蟮幕A(chǔ)概念——非局域性。
以上內(nèi)容節(jié)選、整理自《跨越時(shí)空的骰子——量子通信、量子密碼背后的原理》。
量子通信可以超光速嗎？如何實(shí)現(xiàn)不可破解的密碼？是否存在超越量子力學(xué)的不確定性？……閱讀本書，你將尋找到這些問題的答案。然而，本書并非僅僅為了告訴你答案，而是要帶領(lǐng)你感受一個(gè)新的世界，去像量子物理學(xué)家一樣思考。不僅對繽紛炫目的量子科技會有更深的理解，你還將體會到其背后的思想革命所帶來的震撼！
