对话阿兰·阿斯佩：“驳倒”爱因斯坦之后，量子物理的界限何在？

双光子纠缠实验是验证贝尔不等式、证明量子力学非局域性的主要实验。法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）在1982年率先用纠缠光子进行实验，确立对贝尔不等式的违背，帮助解决了1935年的“爱因斯坦-玻尔之争”，并于2022年获得诺贝尔物理学奖。如今，量子纠缠已成为诸多量子技术的核心。

近日，The Conversation专访了阿斯佩，听他回顾早年职业生涯的一些关键阶段，讨论量子世界与宏观日常的分野，展望当今量子技术的兴起，以及公共研究资助等话题。访谈并不涉及量子力学的晦涩细节，而是希望向读者传递这门学科的独特魅力。

受访者 | Alain Aspect

采访者 | The Conversation

翻译 | 小叶

阿兰·阿斯佩，2022年诺贝尔物理学奖得主之一。来源：巴黎理工学院

爱因斯坦的质疑

The Conversation：在讨论您的诺奖工作之前，我们需要先回顾一下量子理论的起源。实际上，在20世纪初，量子物理的两位奠基人——阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔，为解释这一新理论争辩了很久。两人的分歧之一与“量子纠缠”现象相关，简单来说，是指两个空间上相隔的粒子共享特性，想要描述其中一个粒子，就要描述另一粒子，必须将它们视作一个整体来描述，缺一不可。对此，爱因斯坦提出质疑，因为这意味着两个纠缠粒子可以在很远的距离上瞬间交换信息，速度超过了光速。

通过实验，您已经证明爱因斯坦的质疑是错的，您在最近出版的新书《假如爱因斯坦早知道……》（Si Einstein avait su）中也提到了这一故事。在上世纪70年代末至80年代初，您早就完成了相关研究，但直至今日仍对此热情不减，能解释一下其中缘由吗？

阿斯佩：这段经历让我着迷不已，因为它真正触及了爱因斯坦的世界观。

我先补充一下这段历史，正如你所说，从爱因斯坦-玻尔之争到我的研究成果，在这之间，1964年还出现了一位名叫约翰·贝尔（John Bell）的物理学家。贝尔写下了一系列方程，将爱因斯坦与玻尔的历史性分歧诉诸数学形式。继贝尔的研究之后，约翰·克劳泽（John Clauser），然后是我，后来还有其他人，都曾展开实验验证两人的分歧。我有幸在某种程度上证明爱因斯坦错了，但他的卓越贡献不可磨灭——他指出了量子物理的一个奇异特性：纠缠，在此之前人们可能还没有意识到其重要性。

即便在这个特定问题上我证明了爱因斯坦的错误，但对我来说他绝对是人杰！我非常钦佩他在1900年至1925年量子物理形成期间做出的贡献，还有他在1935年发表的那篇论文（指爱因斯坦等人1935年在Physics Review上发表的EPR论文。论文中他们由量子力学对多体系统的描述，推出一个思想实验，这个实验允许“幽灵般的超距作用”存在，而这与一个完备的物理理论应满足的“定域实在性”相矛盾，以此证明量子力学是不完备的。即EPR佯谬。——编者注）。另外我还要补充一点，他的著作清晰到让人难以置信，显然约翰·贝尔也注意到了这一点，他曾如此总结道：

“玻尔缺乏条理，表达不清，故意含糊其辞，但他是对的；爱因斯坦逻辑连贯，思路清晰，脚踏实地，但他错了。”

尼尔斯·玻尔和阿尔伯特·爱因斯坦在保罗·埃伦费斯特位于莱顿的家中，照片摄于1925年12月。来源：维基百科

The Conversation：此后，你还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：其中一项，是上世纪80年代末我和克洛德·科恩-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji）一起研发出原子冷却方法，他是这方面的专家。（克洛德·科恩-塔诺季于1997年因“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”获得诺贝尔物理学奖。——译者注）

鉴于温度与原子热运动速度相关，要冷却原子，实际上就要让它们慢下来。我们采用“突破光子反冲极限温度”的冷却法，热运动减速幅度十分微小，低于量子力学原理定义的量，约十亿分之一开尔文。因此，我也很自豪为科恩-塔诺季最后获得诺贝尔奖做出了一点贡献，就像我的朋友吉恩·达利巴德（Jean Dalibard）和克里斯托弗·萨洛蒙（Christophe Salomon）一样，他们也为科恩-塔诺季的其他研究贡献了自己的力量。

还有一项开创性研究对我来说意义重大，其灵感来自2000年代初我和同事菲利普·布耶（Philippe Bouyer）参加的一场学术会议。自上世纪50年代末以来，凝聚态物理学家一直试图直接观测一种被称为“安德森局域化”（Anderson Localization）的现象，这种现象涉及电子在无序材料中的行为。会议上，发言人曾说过类似这样的话：“如果能把原子置于无序环境，将会很有趣。”（这里的无序是指由无序占主导的区域，例如存在不规则障碍。）会后，我和菲利普坐在车里对视了一眼，说：“我们的实验可以稍加改动，试试看能不能在光学无序中观测到原子的安德森局域化。”实际上，我在法国国家科学研究中心（CNRS）光学研究所创建的原子光学研究团队，其目标就是使用原子去实现光子或电子的既有实验。例如，这个团队（当然如今我已退休，不在团队中了）现在尝试使用原子复现我曾经做过的量子纠缠实验。

回到安德森局域化，得益于利用激光制造的势阱，我们成功在无序体系中捕获超冷原子（温度低至十亿分之一开尔文），从而直接观测到了安德森局域化现象。我们还拍摄了“原子波函数”的图像，即困在光阱中的原子的“形态”。这篇论文被凝聚态研究人员广泛引用，他们非常惊讶于竟然直接拍摄下了波函数！安德森局域化是非常精妙的量子现象，我对这一研究成果感到特别自豪。

The Conversation：您对单个粒子的特性（例如冷却技术）、成对粒子的纠缠都做过大量研究。当粒子数量很多时会发生什么？更具体地说，尽管大型物体由微小粒子组成，为什么物理法则在宏观和微观尺度中大不相同？

阿斯佩：我会给您一个标准答案，但必须指出的是，在我看来，这一标准答案只不过是把问题往后推了一步。

标准答案会这么说：显而易见，当存在大量粒子时，我们就不再观测到量子特性。否则，我们会遇到著名的薛定谔的猫，既生又死——事实并非如此，因为发生了“退相干”。

所谓退相干，是指当量子系统与外界相互作用时，其量子特性会或快或慢地消失，方式可能明显也可能不明显，但终不可避免。一部分量子信息会以某种方式稀释在外部世界中，因此粒子不再拥有全部量子特征。我们如今可以在理论上证明，为了保留量子特性，粒子数量越多，外部干扰就必须越小。换言之，为了能观测到海量粒子的量子特性，就必须将它们与外界隔绝开来。

现在所有尝试构建量子计算机的人都在努力实现这一目标，因为量子计算机要使用成百上千、甚至上万的“量子比特”。这些量子粒子相互纠缠，而不与外界相互作用。

界限何在

The Conversation：要制造量子计算机，难点是纯粹技术性的，即将量子比特与外界隔绝开来。还是存在固有的内部限制？例如，是不是粒子达到一定数量之后就不再发生纠缠？量子世界与经典世界的界限在哪里呢？

阿斯佩：现在我们能成功观测到1000个量子比特的纠缠现象，也许还能达到数千个。但另一方面，经典世界物体包含的粒子数量级在1023。两个尺度之间差了大约20个数量级，差距相当巨大。问题就来了：这两个世界之间存在绝对的界限吗？如果有，那就要有新的物理法则，但目前我们还不知道。

如果能发现这样的法则，那将是一件美妙的事情，但如果我们知道了界限在哪里，最终很可能会粉碎研发量子计算机的希望。

我是法国初创公司Pasqal的联合创始人，该公司致力于构建便于用户使用的量子计算机。所以我很希望量子计算机能成为现实。但另一方面，如果在研发过程中我们发现量子世界与宏观世界之间存在一条根本界限，那么作为物理学家，我会更开心！事实上，我认为自己稳赚不赔：要么成功制造出量子计算机，研究量子现象这么久，终于实现了应用；要么发现一条全新的物理法则，这也绝对了不起。

The Conversation：关于量子世界与经典物理世界之间的基本界限，您能再多讲点儿吗？

阿斯佩：目前还不能，我们知道的也只有我刚才说的这么多，也就是说，退相干现象说明一部分“量子信息”向外逃逸，结果破坏了量子叠加态。纠缠的粒子数量越多，退相干的影响就越厉害，所以，如果要让系统始终保持量子态，就要更严密地将系统隔离开来。

然而，物理学家们梦想着或许存在一种摆脱退相干的方法。

实际上，我们通过“态”来描述量子粒子——描述其方方面面的特征。当大量粒子发生纠缠时，你可以想象对整个体系的描述会变得冗长。对于大量粒子，“态空间”，即所有可能状态的集合，大得不可思议。只需要200、300个纠缠的量子比特，其可能状态的数量就比宇宙内所有粒子的总量还要多。但这一态空间内，如果走运的话，可能会有一小片区域免受退相干影响。如果真的存在这样的区域，那么在巨大态空间内的一些特定状态就不会因与外部世界发生相互作用而破坏。

科学家们正努力朝着这个方向前进。例如，当你们听到“拓扑”量子比特这个词的时候，指的就是这个。但直到现在我们尚处于摸索阶段。

The Conversation：您为什么说退相干会掩盖问题，将其推后了一步？

阿斯佩：在物理学中，有些问题我们可以从基本定律出发进行严格的解释。但还有一些绝对实用的理论，我们知道这些理论能够正确描述观测到的现象，但还不知道如何从第一性原理出发来证明它们。我们必须像人们常说的那样，“手动”添加它们。退相干就是如此，热力学第二定律也是如此。退相干是解释量子特性消失的唯象理论，但目前尚未得到全面证明。

The Conversation：当今量子力学基础研究的前沿课题是什么？研究人员面临哪些大问题？

阿斯佩：首先要说明，我已经有12年没有领导研究团队了，虽然我对这些问题很感兴趣，但不再参与其中了。

话虽如此，我觉得我们还是有必要区分那些非常长远的问题和较短期的问题。以长远问题为例，我们知道广义相对论和量子力学之间存在抵牾。这属于理论问题，远远超出了我的专业范围。

另一方面，从短期问题来看，据我所知有人正尝试通过“宏观”物体来观测量子机制：用一张被拉伸到极致的薄膜，以非常高的频率振动，科学家试图观测其振荡运动的量子化。这又回到刚才的话题：量子世界与宏观世界的界限，我们开始能够研究宏观尺度的物体，但它同时又能表征量子现象。

这一研究线路的优势在于它不以几十年为期限，可能几年就会有成果，能帮助我们更好地理解量子世界与经典世界的界限。为此，科学家们考虑了多种系统，不仅仅是薄膜，还有与光子相互作用的微镜。

2021年，美国国家标准技术研究所（NIST）用微波脉冲让两张铝片膜进入量子纠缠状态。来源：Science372,622-625

The Conversation：这样的膜有多大？

阿斯佩：这些膜由二维材料制成，有点像石墨烯：从上面往下看，直径约几毫米，但厚度只有一个原子。

然而，重点不是它们的大小，而是能够表现出量子特性的振荡频率。频率非常高，就好比拧紧吉他弦一样，能够达到数百万赫兹（每秒数百万次振动）。当“振动能量子”（爱因斯坦1905年将其定义为频率乘以普朗克常数）与典型的热能相当时，也就是说，当薄膜振动频率足够高的时候，热扰动的影响微乎其微，只要充分冷却系统，我们就能观测到量子效应。

The Conversation：您还关注过能够突破量子力学基础界限的其他进展吗？

阿斯佩：当然，这就要提到为实现量子计算机所做的努力，从基础物理学角度来看，这些方向都非常有趣。

有人使用中性原子、离子或者光子来制造量子比特，它们都是自然界的天然馈赠。另外在凝聚态领域（我对此不太了解），有基于超导电路的人工量子比特。超导材料非常特别，电流能够在其中畅通无阻，这是另一种量子现象。一些特殊设计的电路表现出特定的量子态，可以用作量子比特。但现在我们只能在极低温的条件下制造超导材料。

而光子、离子、原子这些天然量子物体的优势在于，它们在定义上是完美的：所有铷原子都是相同的，所有相同频率的光子都完全相同。对实验者来说这是一件幸运的事情。

而在凝聚态领域，科学家使用超导体构建出人工量子电路，它们必须制造得足够好，才能是真正量子化、全同的，性能也完全相同。

事实上，当我们回顾物理学史，就会发现有些现象是通过天然量子物体显现出来的。一旦我们发现这种现象足够有趣（尤其是在应用方面），工程师们就开展研究，开发出人工系统，以更简单、更可控的方式复现这些现象。这就是为什么我认为使用天然量子物体来研发量子计算机这个思路非常有意思，光学研究所的安托万·布罗瓦伊斯（Antoine Browaeys）、使用光子的初创公司Quandela，都在积极实践中。

科技巨头们

The Conversation：人们对量子技术兴趣浓厚，其中一些已经投入使用，例如量子重力仪或者量子模拟器，目前的这些技术中哪些已经展现出“量子优势”？

阿斯佩：说到量子重力仪（测量重力的仪器），虽然性能不如最好的经典重力仪……但后者重达一吨，要使用起重机才能将其移动至需要测量重力的地方。而量子重力仪只有几十千克，可以轻易地在火山侧面移动，来探测岩浆是否突然活动，这可能是火山喷发的前兆。在这种情况下，尽管量子重力仪性能稍逊，但小型化显然具备一定优势。

The Conversation：那么量子计算机呢？

阿斯佩：关于量子计算，首先需要定义什么是“量子优势”。当有人声称通过解决一个以前从未有人问过的问题，从而获得“量子优势”时，人们可能会怀疑其现实意义。例如，如果用激光穿过一杯牛奶，后面形成的光图案的计算就非常复杂，经典计算机进行这种计算可能需要耗费数年时间。那么我是不是应该说，这杯牛奶是一台非凡的计算机，仅仅因为它给出了一个难以计算的答案？显然不是。但一些所谓“量子优势”就是这么报道的。

另一方面，光学研究所的安托万·布罗瓦伊斯使用量子模拟器，已经回答了长久以来悬而未决的问题，物理学家称之为“伊辛问题”。它涉及寻找在晶格上规则排列的一组粒子的最低能量状态。如果使用经典计算机，我们最多能够解决80个粒子的情况。而布罗瓦伊斯利用量子模拟器解决了300个粒子的情况。这才是无可辩驳的“量子优势”。

值得注意的是，使用经典计算机研究这一问题的物理学家们也受到了启发！他们由此开发出近似方法，可以近似计算300个粒子的结果，但还无法确定其近似值是否正确。而布罗瓦伊斯找到了结果，也无法验证。当双方发现彼此殊途同归时，都非常高兴。这是一种良性竞争，也是科学方法的本质，通过不同方法进行交叉验证。

借此机会，我想讲一下“量子优势”还有第二层含义，这体现在能源层面，我们有理由相信，能在经典计算机上执行的操作，在量子计算机上也可以，而且后者消耗的能量更少。在当前能源危机的大背景下，这是值得探索的量子优势。我们原则上知道如何利用这种能源优势：必须提高计算速度，从每秒一次或每秒十次运算，提升到每秒上千次运算。这看上去是可以克服的技术问题。

总而言之，“量子优势”可以是处理经典计算机无法处理的问题，也可以是解决经典计算机能够解决的问题，但耗能更少。

The Conversation：一些量子技术还不够成熟，尚无法普及，例如量子计算机。然而近几个月来，一些科技巨头纷纷宣称取得重大进展：去年12月的谷歌和今年2月的亚马逊都宣布在纠错码方面取得进展，微软也在2月也宣布了“拓扑”量子比特方面的进展。您如何看待科技巨头进入该领域？

阿斯佩：科技巨头涌入量子计算领域，纯粹是因为他们财大气粗，不想错过任何可能的变革。和我们一样，他们也不知道量子计算机变革是否真会发生。但如果是真的，他们当然希望分一杯羹。

至于这些报道，我想非常明确地说，微软关于“拓扑”量子比特的研究，这一说法其实来自微软公关部门的新闻稿，而微软研究团队发表在《自然》上的论文并不支持通稿的说法。《自然》作为同行评审学术期刊，研究人员很清楚自己在报告什么，不会发表未经证实的内容。

新闻稿说，他们观测到了著名的“马约拉纳费米子”，这是“拓扑”量子比特的候选之一，也就是说，属于前述的免受退相干影响的态空间子集。

而研究团队在论文中表示，他们观测到一种现象，可能（仅仅是“可能”！）用马约拉纳费米子来解释。这和新闻稿完全是两回事。此外，新闻稿言之凿凿地提到他们将研制出包含100万个马约拉纳费米子的量子芯片，而我们连1个马约拉纳费米子都没有确凿证据。大家可以自行判断！

微软于今年2月推出的Majorana 1量子芯片。来源：Microsoft

The Conversation：这种私人企业对科研的介入，是否会让公共科研的热情转向其他课题？您认为该如何平衡公共科研和企业科研呢？

阿斯佩：有些事物会喧嚣一时，然后归于沉寂，这很正常，因为科研中也存在一种思想上的自然选择。以量子比特为例，过去15年里欧盟委员会一直问我，应该把精力集中在哪一类量子比特上，上文也列出了一长串：光子、原子、离子、超导电路、硅……我告诉他们，我说不上来，就算到今天我也是这样说。公共机构的职责是提供长期资助。必须让科研人员继续前进，在某个时候，可能有一两条路径要比其他路径更有发展前景。当然，我们就会放缓其他路径的研究。这就是科研思路的自然选择。

The Conversation：各家企业也押注了不同的量子比特候选者……

阿斯佩：确实如此，但企业有一个特点：反应特别灵活。一旦他们发现自己选择的候选者没有前途，就会立刻停手，转向另一个已被证明更好的选择。另外，就工程层面来说，我必须承认，企业在快速反应方面相当了不起。但学界研究更有利于思想成熟，这也是不可或缺的阶段。

必须承认，企业投入的资金比公共部门多得多，但前者缺乏长远眼光。仅仅投入巨资并不能加速研发。

科学研究还需要思想成熟的过程，不会因为投入十倍的资金，速度就加快十倍。思想理论本身的发展过程中，有时还会出现意想不到的技术发展。我长期观察法国、德国等国家科研体系，观察到了理论成熟和平台效应。

从这个角度来看，公共研究保留一定的非定向资助，即所谓的“空白”资助，至关重要。我认为一个重金投入研究的国家，希望人们研究某些指定课题并为此进行资助，这没什么问题。关键在于要给真正的空白课题留出空间，这些课题是研究人员在没有被列入任何计划时提出的。正是得益于一个非定向项目，我们才得以观测到安德森局域化，这就是个很好的实例，我们无法预测所有长远的未来。

另外，信息也要充分流通，好让其他研究人员能够掌握最新进展并加以应用。因此，学术发表非常重要，这是与其他研究人员分享成果的好机会；也处于同样的理由，我们对技术保密持保留态度，尽管在特定领域保密显然是必要的。

本文于2025年3月3日首发于The Conversation法国版，原标题“Conversation avec Alain Aspect : des doutes d’Einstein aux Gafam, où s’arrêtera la physique quantique ?”经《返朴》翻译后发布。

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

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