从量子力学哲学争论到量子信息广泛应用的历史演变及其启示

钱时惕（物理通报编辑部）

提 要 考察并分析了从量子力学哲学争论到量子信息广泛应用的历史演变过程，从中揭示出人类认识外在世界的复杂性与规律性及其对科技政策制定与管理的启示。

关键词 量子力学 量子信息 贝尔不等式 量子纠缠 哲学 历史 启示

2015年国家自然科学奖一等奖授予中国科学技术大学潘建伟教授等为主要完成人的“多光子纠缠及干涉度量”研究团队；2016年8月16日我国“墨子号”量子卫星升空；引起我国物理学界及有关方面的高度评价与热议。“多光子纠缠及干涉度量”属于量子信息学范畴，量子信息学是量子力学和信息科学结合的产物，具有非常重要而广泛的应用。量子信息学的产生与形成有一段曲折、神奇的历史过程，具有深刻的科学与哲学意义，值得总结与研究。本文分析并说明，从量子纠缠的发现到确认再到实际应用，显示了人类认识外在世界的复杂性与规律性；同时，指出它对科技政策制定与管理的启示。

一、量子力学的哲学争论

20世纪20～30年代，量子力学产生并快速发展起来，解决了许多经典理论不能解释的物理现象，实验事实证明量子力学是一个成功、有效的科学理论。但是，对量子力学的基础或本质，存在着不同的认识。其中，最突出的是爱因斯坦(A.Einstein)与玻尔(N.Bohr)为代表的有关量子力学问题的争论。爱因斯坦与玻尔的争论大致可分三个阶段：

第一阶段：时间从1924年到1927年，此时，完整的量子力学逐步建立，量子力学的特征日益明显，但互补原理尚未提出，爱因斯坦从自己的基本哲学信念及所追求的科学目标（对客观物理世界作严格的因果性描述）出发，对量子力学作为一种几率性的统计理论，表示了强烈不满，1926年12月4日他在给玻恩(M.Born)的一封信中写到：“量子力学固然是堂而皇的，可是有一种内在的声音告诉我，它还不是那真实的东西，……我无论如何不相信上帝是在掷骰子。”

第二阶段：时间从1927年到1930年。此时，玻尔提出了互补原理并成为一种正统解释，爱因斯坦极其不满，因为互补原理是以测不准关系为基础而提出的，因此，爱因斯坦首先把批判的予头对测不准关系，在第五届（1927年）、第六届（1930年）两次索尔维国际物理会议上，爱因斯坦提出了一些理想实验（双缝衍射、光子箱），试图证明测不准关系与量子力学形式体系之间的内在矛盾，从而否定玻尔的互补原理，但每次都被玻尔机敏的分析所驳倒。从此以后，爱因斯坦承认了量子力学理论体系的逻辑一致性，把批判转向量子力学描述的完备性问题。

第三阶段：时间从1930年直到爱因斯坦逝世。这个阶段的争论，突出地表现在1935年爱因斯坦提出的“EPR悖论”及玻尔的答辩。

1935年，爱因斯坦(A.Einstein)与波道尔斯基(B.Podolsky)、罗森(N.Rosen)合作，发表了题为《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》 的著名论文。在这篇论文中，爱因斯坦首先提出了物理理论完备性条件与物理实在的判据。

完备性条件是：物理实在的每一元素都必须在这物理理论中有它的对应。

实在性判据是：要是对一个体系没有任何干扰，我们能够确定地预测（即几率1）一个物理量的值，那末对应于这一物理量，必须存在着一个物理实在的元素。

在确定了上述前提后，爱因斯坦设计了一个理想实验：假设有两个微观系统Ⅰ与Ⅱ，在t=0~T以前相互作用过，t>T以后在空间分隔开来就不再发生相互作用，进一步假设，两个系统的初始状态是已知的，根据薛定谔方程，就可以算出相互作用后任何时刻Ⅰ+Ⅱ的状态。设在Ⅰ与Ⅱ不再相互作用后对Ⅰ进行测量并推测Ⅱ的情况。按量子力学可得如下结果：对系统Ⅰ测量物理量A结果为ak，它的状态由Uk(x1)表示，则可推出体系Ⅱ所处状态为Ψk（x2）；若对系统Ⅰ测量物理量B结果为br，它的状态由Vr（x1）表示，则可推出体系Ⅱ所处状态为φr（x2）。这样，就导出如下的悖论：一方面，系统Ⅰ与系统Ⅱ已经分开不再相互作用，应该不再相互影响（这是所谓定域性要求）；另一方面，对系统Ⅰ作不同的测量，将影响Ⅱ处于不同状态，通过对上述导论之分析，爱因斯坦论证了量子力学描述的不完备性。

爱因斯坦的诘难，给予玻尔以巨大的冲击，也引起物理学界的震惊。三个月后，玻尔以同样的题目作了回答 ，玻尔以物理实在现象的量子整体性为量子力学描述的完备性辩护。

二、哲学争论向实验检验转变——贝尔不等式的提出

量子力学的争论，涉及许多重大的科学与哲学问题。例如，微粒运动的几率性是本体性的还是存在某种背景原因？量子力学对微粒运动的描述是完备的还是非完备的？EPR佯谬的出现，是由于量子力学的不完备性还是量子本身的非定域性。后一个问题最为尖锐而突出，因为若承认量子世界的非定域性将难以避免“鬼魅般的超距作用”，这是传统物理学家难以接受的。

为了对上述问题有一个令人信服的解答，除了进行理论分析与论证之外，更为重要的是要找到实验检验的途径与方法，贝尔不等式的提出起到了重大而关键的作用。

（一）“隐参量”理论

早在1927年第五届索尔维国际物理会议上，爱因斯坦就曾指出，波函数的几率解释可能有两种方式：第一种方式认为几率属于个别粒子的行为，第二种方式认为几率属于量子系统的行为。第一种观点与互补原理一致，因为互补原理是以作用量子基元过程的不可分性、单个粒子的测不准关系为它的基础的。在这种观点中，强调几率是微观现象的固有特点，不存在物质背景或形成机制问题，不给决定论描述留下任何余地。第二种观点则把量子现象的几率性质类比于经典统计，它允许寻找“隐参量”来解释微观粒子的几率行为。这种“隐参量”的思想，在量子力学刚刚诞生时就曾提出，不过，没有形成系统的理论。1932年，冯•诺依曼(V.Neumann)在《量子力学的数学基础》一书中提出了一个著名的完备性定理，证明现行的量子力学理论是完备的，不可能再引入什么“隐参量”对微观物体作决定论的描述。从这以后，在很长一段时间，“隐参量”理论就再也没人提及了。

第二次世界大战后，爱因斯坦多次表示了对于量子力学的不满，提出“要对任何（单个的）实在状况（假定是不依赖于任何观察或证实的动作而存在的）作完备的描述”。在爱因斯坦思想的启发与鼓舞下，1952年，玻姆提出了第一个系统的“隐参量”理论，重新引起了人们对于“隐参量”理论的注意与兴趣。玻姆的基础思想是量子力学中的统计特征来源于亚量子力学级的涨落，如果我们能找到决定微观粒子的隐参量，就可能对单个粒子作出决定论的描述，如何来证明这种“隐参量”的存在呢？为此，玻姆提出了测量单态质子自旋分量关联的实验方案和湮没辐射光子偏振关联的实验方案。

（二）贝尔不等式的提出

在玻姆思想的启发下，1964年，贝尔发表了“论EPR”一文 ，在此文中，贝尔以隐参量与定域实在论为前提，推导出了一个不等式。定域隐参量理论要求相应实验的结果满足这一不等式，而量子力学对同一实验结果的预言则明显违背这一不等式；从而，可以用实验结果定量地鉴别两种理论的差异或对错。

贝尔不等式的通常形式为：

|P(a,b)-P(a,c)|≤1+P(b,c)

其中

P(a,b)=∫ρ(λ)A(a,λ)B(b,λ)dλ;a、b、c为某个方向的单位矢量，λ为隐函数参数，ρ(λ)为隐函数的分布函数，∫ρ(λ)dλ=1，ρ(λ)不依赖a,b。

（三）贝尔不等式的实验验证

1964年推出的不等式，由于验证条件（考虑的是理想化实验条件）要求颇高，难以与实验结果直接比较，后经过许多物理学家的理论改进与实验准备，到20世纪70年代实验验证才得以进行。1972年以来，验证贝尔不等式的实验共进行多个，其结果都与量子力学一致 ，即贝尔不等式不成立。例如，1982年，阿斯派克特(A.Aspect)的研究，第一次在精确的意义上对EPR作出检验。实验结果和量子力学的预言完全符合，而相对定域隐变量理论的预测却偏离了5个标准方差。尔后，许多物理学家都重复了阿斯派克特的实验，并且运用更新的手段，使实验模型越来越靠近爱因斯坦当年那个最原始的EPR设想。1998年，奥地利因斯布鲁克大学的科学家们让光子飞出相距400米，其结果偏离了定域隐变量理论预测30个标准方差。到目前为止，所有实验结果均与量子力学相符，而违背定域隐参量理论。进一步分析指出，主要是否定定域性，而与隐参量无关。到目前为止，物理学家都已相信，在微观世界存在着一种量子关联性或量子纠缠。

三、量子信息技术的广泛应用

验证贝尔不等式的实验结果，证实了微观粒子“量子纠缠”现象确实存在。突破这个瓶颈后，通过量子力学与信息科学的结合，以“量子纠缠”为基础的量子信息技术，包括量子隐形传态、量子密钥分配、量子浓缩编码、量子纠错码、量子计算等快速发展起来，特别是量子通信技术已得到广泛应用 。

1993年，美国科学家贝内特(C.Bennett)在量子纠缠理论的基础上，提出了量子通信的概念 。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。1993年，在贝内特提出量子通信概念以后，6位来自不同国家的科学家，基于量子纠缠理论，提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案。

1996年，在奥地利留学的我国青年学者潘建伟等，首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。

2012年，潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态与纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。全球范围的量子通信正在变成现实。

目前，光量子通信实现的过程可简述如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行逆转变换，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。量子通信的过程如图所示．

量子通信的过程图

量子通信具有传统通信方式所不具备的超高安全、超大容量、超远距离保密通信、传输系统几乎无法破译等特点，不仅在有关国家政治、军事、经济等信息安全领域有着重大的应用价值和广阔前景，更重要是将引起新的信息技术革命，改变人类的生产方式与生活方式。

四、有关启示与思考

（一）量子纠缠从发现到确认显示了人类认识外在世界的复杂性与规律性

量子纠缠最初是被作为佯谬、疑问、灾难提出的：

其一，EPR佯谬：按量子力学，两个粒子在经过短暂时间的耦合不再相互作用后，单独作用其中一个粒子，将立即影响到另外一个粒子的状态，尽管两个粒子之间相隔遥远。这否定了定域实在论。

其二，薛定谔猫佯谬（8）：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变是几率性的，如果镭发生衰变，会触发开关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就能活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和未衰变两种状态的叠加，密闭容器里中的猫就成为既死又活的猫。这与宏观的日常经验不符。

上述EPR佯谬实际是微观粒子系统的量子纠缠，而薛定谔猫佯谬实际是微观与宏观的量子纠缠。

现在看来，爱因斯坦与薛定谔只是无意中发现量子力学体系中包含量子纠缠的性质，但他们并没有重视量子纠缠本身，也不相信量子纠缠的存在，只是从负面的意义来看待有关问题（从量子力学推导出量子纠缠说明量子力学体系存在问题，例如不完备性）。但从量子力学发展的角度，从科学发展的角度，把量子纠缠作为佯谬、疑问、灾难提出，特别是指出这将引入“鬼魅般的超距作用”，则具有发人深省的震惊意义。面对爱因斯坦的警告，物理学家不能不严肃考虑：现行量子力学体系是否存在重大缺陷？量子纠缠是否真实存在，它到底说明什么问题，与定域性是何种关系？量子纠缠如果真实存在，其原因何在？由于爱因斯坦提出的问题关系到量子力学的基础与本质，也关系到物理学家的哲学信仰，因此，引起许多物理学家很长时间从各个方面进行分析与研究。这才有后来定域隐参量理论与贝尔不等式的出现，以及鉴别不同理论差异或对错的一系列实验。最后结果是承认量子世界的非定域性、确认量子纠缠现象。说来有些奇怪、也令人深思，爱因斯坦对量子力学的责难推动了量子力学后来的发展(对佯谬、疑问进行深入研究)，尽管没有按爱因斯坦所希望或想象的方向进行。

对量子纠缠从发现到确认的考察，我们看到人类认识外在世界的曲折与复杂。但进一步分析，也可以得出人类认识深化与发展的某些规律性。

1、质疑、争论是认识深化与发展的动力

人的认识是认识主体与认识客体通过相互作用而产生的。认识主体包括原有知识、认识器官等，认识客体包括客体实在(自在之物)及其自发放出的信息、认识主体作用引起的感性现象等 。对认识过程来说，认识客体是无限的，而认识主体则是有限的。以有限的主体知识去研究与说明无限的客体现象，必然会遇到许多不习惯、不相信、不理解的问题。以量子力学最初产生与形成时期（20世纪20～30年代）为例，不少人对波粒二象性、粒子运动的几率性、测不准关系、量子纠缠等不习惯、不相信、不理解。在这种情况下，爱因斯坦等提出质疑，许多物理学家、哲学家参于争论，经过各种思想与观点的交流、碰撞、辩论，问题逐渐澄清，最后导致贝尔不等式的提出及实验检验，肯定了量子世界不同于经典世界的特点，包括粒子运动的几率性（与隐参量无关）、非定域性等。

2、使理论争论向实验检验转变是认识深化与发展的关键

提出疑问并展开争论，一开始有必要。但不能停留在理论争论层面，为使认识深化与发展，必须尽快找到理论争论向实验检验转变的途径。一般情况下，主要方法是设计实验对不同理论或观点进行鉴别。以量子力学发展为例，进入20世纪30～50年代，主要是对现行量子力学与定域隐参量理论进行鉴别。为此，玻姆提出了测量单态质子自旋分量关联的实验方案和湮没辐射光子偏振关联的实验方案。这些实验方案提供了理论思路，但还不能真正实施。贝尔不等式的提出，成为理论争论向实验检验转变关键的一步。经过对贝尔不等式最初形式的分析与改进，以及相应的实验准备，到20世纪70～80年代实验验证得以进行。1972年以来，验证贝尔不等式的实验共进行十多个，其结果都与量子力学一致，从而量子纠缠得到确认。为量子信息技术的广泛应用打下了基础。

（二）以更广阔的视野看待与研究非定域性

量子纠缠的确认意味着某种意义上的超距作用之存在。当年，爱因斯坦正是由于建立在粒子运动几率性基础上量子力学会引入超距作用而指责量子力学描述的不完备性。今天看来，量子力学引入的超距作用与爱因斯坦认识的、与狭义相对论相联系的超距作用可能并不相同。所谓某种意义上的“超距作用”我们认为可以作如下理解 ：

到目前为止，尚未发现超光速真实信号之传播，量子电动力学（狭义相对论与量子力学结合之产物）在微观领域一直被精确地检证着；因此，量子纠缠的超距作用似乎还不能理解为是一种违背相对论基础的超距作用，而是一种并不违背相对论基础，但却是我们过去尚未认识、尚未掌握的“新类型的相互作用”。因为，目前已知的四种相互作用都是通过媒介子传递的，未发现超光速现象。而量子纠缠中的非定域性信息传递并非通过媒介子。可见，它有自己独特的机制。因此，应以更广阔的视野看待与研究非定域性，揭示人类尚未认识的更多谜密。

对于量子纠缠、非定域性这种复杂、深奥的问题，需要以广阔的视野，从多方面进行理论与实验探索与研究；支持与鼓励不同思想与观点的交流、碰撞、辩论。也许，只有这样，才能使人类对量子世界有更深刻的认识。

（三）在大科学时代应更多关心与支持小科学研究

人类认识及科学研究的特点在于，在每一个历史时期，都是以有限的主体知识去探究无限的客体世界。在这种情况下，认识或研究的突破点带有较大随机性、不可预见性。只有从多方面探索与试验，才有可能找到突破口。以量子力学历史发展为例，20世纪20～30年代，量子力学得到飞速发展。40年代以后，就处于停滞阶段，直至1964年，贝尔不等式的奇异出现（当时许多人都不理解），才引起量子力学研究新的高潮。

目前，科学技术的发展已进入大科学时代。各国都把规划与组织重大科学技术工程或项目作为科学技术工作的主流。多数科技工作者都被组织到重大科学技术工程（以及项目）或被吸引到热门课题。在这种情况下，科技政策制定与管理者，就应该更多关心与支持小科学研究。所谓更多关心与支持，除了经费支持、评价公正外，非常重要的一个方面，就是对于小科学研究成果，对于不同观点（包括带有错误的但有创新）的论文，不要求全责备，给于充分发表机会。