主講人簡介
安東·澤林格，維也納大學(xué)實驗物理學(xué)教授，牛津大學(xué)客座研究員，法蘭西大學(xué)客座教授，奧地利科學(xué)院終身院士，奧地利物理學(xué)會主席，美國物理學(xué)會會員。
內(nèi)容簡介
量子物理學(xué)是德國物理學(xué)家麥克斯·普朗克于1900 年在柏林提出的。他為了解釋某些光學(xué)現(xiàn)象，不得不設(shè)想光是由量子所組成的，也就是單個的粒子，而且量子是不可分的。量子力學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)成為許多現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)。美國的諾貝爾獎獲得者杰克·斯坦博格曾經(jīng)估計，可能在當(dāng)代的經(jīng)濟中，三分之一的國民產(chǎn)值都以某種方式來自于一量子力學(xué)為基礎(chǔ)的高科技。那么問題在哪里呢？理查德·費曼很好地表述了這個問題：我認為我可以肯定地說，現(xiàn)在沒有人理解量子力學(xué)。理查德·費曼是有資格這么說的，因為他曾因發(fā)明了一個量子物理學(xué)的公式而獲得諾貝爾獎，所以他知道自己在說什么。
量子理論不僅僅是學(xué)術(shù)研究，它不僅僅是我們理解世界的一種有趣方式，它也對信息處理提供了許多有趣的新概念。一個就是量子計算機，世界各地都有許多研制量子計算機計劃，我知道中國也有。我不想詳細地談有關(guān)的具體的硬件，也就是說，它到底是什么樣的，因為今天還沒有人知道，完全處于想象階段。人們在嘗試各種不同的途徑，基本的概念是必需要有一個中央處理器，我借用一個著名的電腦芯片公司的名字，稱之為“昆騰”，基本的概念是，我們可以用量子疊加的方式來處理信息。例如，如果要計算開平方，我們可以把數(shù)字4和9以量子疊加態(tài)的方式同時輸入“昆騰”，那么量子計算機，或用物理術(shù)語來說，一種大量的糾纏狀態(tài)，量子計算機就會計算出結(jié)果，不是一個一個地計算，而是以疊加態(tài)來計算，就如這個最簡單的例子，我們就可以得到以量子疊加態(tài)的形式輸出的結(jié)果，2和3。大家知道計算機方面有一種趨勢，就是計算機變得越來越小，其元件如晶體管等等處理信息所用的電子越來越少，如果照目前的情況發(fā)展下去，就會達到量子水平。另一方面，量子力學(xué)可以從下向上發(fā)展，制造出量子計算機。
量子通訊是最早在實驗上有所進展的。量子通訊有許多用途，最早得到發(fā)展的是量子密碼，量子密碼是一種對信息進行編碼方法，其安全性是由自然規(guī)律來保證的，不依賴于實驗者的技巧。量子密碼最基本的思想是，人們無法在不破壞或改變量子的狀態(tài)的情況下測量量子。所以當(dāng)一個無權(quán)知道某種信息的人想要竊取信時，就很容易被發(fā)現(xiàn)。
現(xiàn)在我再回到哲學(xué)問題上，玻爾有一段我非常喜歡的話：并沒有什么量子世界，只有一個抽象的量子物理學(xué)的描述。認為物理學(xué)的任務(wù)是去發(fā)現(xiàn)自然究竟是怎么樣的想法是錯誤的。物理學(xué)只有關(guān)于我們對自然能做何描述。就是說人們根本不可能判斷自然到底是什么，我們只能討論如何來描述自然。
全文
我今天演講的題目很大，叫做《量子物理的實驗和哲學(xué)基礎(chǔ)》。乍聽起來這兩者似乎沒有什么關(guān)系，不過我會向你們解釋我的意思的。在量子力學(xué)剛開始出現(xiàn)的時候，對這個理論的意義就有過相當(dāng)激烈的哲學(xué)上的爭論。我想推薦大家去閱讀一個非常有趣的例子，因為它很激動人心，那就是波爾和愛因斯坦的對話。愛因斯坦試圖保持關(guān)于這個世界的經(jīng)典的觀點，但波爾卻說這是絕對不可能的。在他們的爭論中，一個被稱為Gedanken實驗的問題占有顯著的地位。Gedanken的意思是思想，就是說只是在頭腦中進行的實驗。因為當(dāng)時的技術(shù)還不夠發(fā)達，不可能在現(xiàn)實中進行這種實驗。在過去的三十年中，有一個有趣的進展，那就是這種實驗成為可能。在單個量子系統(tǒng)，對單個粒子進行的基礎(chǔ)實驗，證明了過去量子力學(xué)所做的那些奇怪的預(yù)言都是正確的。我只說兩點有趣的情況，等一會我還要談及它們。單粒子干涉，由單個粒子而不是多個粒子所形成的干涉。還有貝爾定理。貝爾定理是關(guān)于世界本質(zhì)的定理，非常深奧。我說過這類實驗室是在三十年前開始的，其中許多實驗室靠激光技術(shù)的發(fā)展才有可能進行。進行這種實驗只是出于哲學(xué)上的考慮，是為了想看一看量子力學(xué)有多么奇怪。但僅僅十年的時間，由這個目的出發(fā)，結(jié)果卻使包括我在內(nèi)的許多人大吃一驚，也就是說，我們自己也驚奇地發(fā)現(xiàn)，我們已經(jīng)以這種方式為新技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這些新技術(shù)以諸如量子計算、量子通訊等名稱而嶄露頭角，其基本的概念是以量子的方法來處理并傳輸信息。最初在三十年前，人們有了使這類實驗成為可能的條件，例如，實現(xiàn)了一個歷史上的Gedanken實驗，就是在波爾和愛因斯坦的爭論中出現(xiàn)的那個著名的Gedanken實驗，所謂的雙柵實驗。這里是一條縫，這里是第二條縫，后面是一個觀察屏。如果你從這里發(fā)射光線，它就會從兩條縫中通過，在后面就形成了明暗相間的條紋。如果你知道光是一種波，那么這種明暗條紋是很容易理解的。在暗的地方，通過兩條縫的光線相互抵消，在明的地方，光線相互增強。這種實驗是沒有任何問題的，但是當(dāng)你用單個的粒子，也就是光的單個量子來進行這個實驗時，就會產(chǎn)生一些哲學(xué)上的問題。例如，粒子會通過這兩條縫的哪一條，或者當(dāng)這個粒子通過某一條縫時，你怎么知道另一條縫時開著的還是關(guān)著的。如此等等。我等一會再來說這個問題。事情往往是這樣，通過這個實驗，又產(chǎn)生了一些過去的討論中所沒有想到的新實驗的可能性，并以此為基礎(chǔ)，產(chǎn)生了新信息技術(shù)的新觀念，我們現(xiàn)在所做的也是在探索量子力學(xué)的現(xiàn)實性范圍。正如你們中的一些人也許不懂得量子力學(xué)是怎么一會事，據(jù)我所知這是個普遍現(xiàn)象。
量子物理學(xué)是德國物理學(xué)家麥克斯·普朗克于1900 年在柏林提出的。他為了解釋某些光學(xué)現(xiàn)象，不得不設(shè)想光是由量子所組成的，也就是單個的粒子，而且量子是不可分的。我想提一下，量子力學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)成為許多現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)。例如激光，如果不靠量子物理學(xué)是無法理解激光的，這是激光系統(tǒng)，也不可能理解半導(dǎo)體，所以說計算機也來自于量子力學(xué)。如果沒有量子力學(xué)也不可能理解磁性，而且量子力學(xué)還可以解釋某些化學(xué)現(xiàn)象，所以這是一個普遍適用的非常精確的理論。美國的諾貝爾獎獲得者杰克·斯坦博格曾經(jīng)估計，可能在當(dāng)代的經(jīng)濟中，三分之一的國民產(chǎn)值都以某種方式來自于一量子力學(xué)為基礎(chǔ)的高科技。那么問題在哪里呢？理查德·費曼很好地表述了這個問題：“我認為我可以肯定地說，現(xiàn)在沒有人理解量子力學(xué)”。理查德·費曼是有資格這么說的，因為他曾因發(fā)明了一個量子物理學(xué)的公式而獲得諾貝爾獎，所以他知道自己在說什么。同樣地，還有一個人說：“這個理論非常精確，難以置信地精確，并具有難以置信的數(shù)學(xué)之美，但是荒謬之極”。而說這話的人也是一位著名的物理學(xué)家，他就是羅杰·彭羅斯。你們也許讀過他的書，對他有所了解。所以只有那些搞實驗的人才對量子力學(xué)的意義感到滿意。
我想說一下，第一個批評量子力學(xué)新理論的人是阿爾伯特·愛因斯坦。在1909年他就開始批評量子力學(xué)了，這是很早了。因為在薛定鍔和海森堡提出新的量子理論之前，他就是少數(shù)幾個使用量子力學(xué)的人之一，他本身就置身于量子力學(xué)的研究之中。他在哥本哈根舉行的德國物理學(xué)大會上表示，他對量子力學(xué)所表現(xiàn)出的新的隨機性感覺很不舒服。我們所說的隨機性是指單個事件的隨機性，但是量子力學(xué)中的隨機性與經(jīng)典物理學(xué)中或日常生活中的隨機性相比，具有新的性質(zhì)。我們知道在量子力學(xué)中，隨即事件不但是沒有原因的，而且連隱藏在背后的原因也沒有，沒有那種雖然我們不知道，但大自然卻可能知道的原因。沒有！在量子力學(xué)中，偶然事件連哪怕是隱蔽的原因也沒有。這就是量子力學(xué)使愛因斯坦不舒服的原因之一。我想提一下，現(xiàn)在量子力學(xué)的情況時，對它有很多種解釋。應(yīng)該說在談到量子力學(xué)時，有兩個不同層次的解釋。一個層次是形式上的解釋，即數(shù)學(xué)公式以及其如何與實驗結(jié)合，在這方面沒有什么問題。但是如果要尋求深層的解釋，如果要問量子力學(xué)對理解這個世界有何意義，它有什么意義嗎？這是人們可能要問的問題，那么在物理界就有很多分歧了。所謂的哥本哈根解釋，有時也被稱為正統(tǒng)的解釋，直接了當(dāng)?shù)卣f，對量子體系賦予性質(zhì)時要特別小心，只有在極少數(shù)的情況下才可以這么做。多個世界的解釋在對量子力學(xué)進行衡量時要表現(xiàn)出多個假設(shè)的世界，即使沒有其他毛病，這至少也是一種不經(jīng)濟的解釋。還有其他一些解釋，我就不詳加討論了。以我之見，我認為在深層次上至今還沒有什么理解。
讓我們再回到實驗上，我們再來討論一下雙柵干涉實驗。我在前面說過，如果我們從左面這里發(fā)射光線，通過這兩條縫，就形成了這種干涉條紋，由于波的干涉而形成明暗交替。問題是，我們通過普朗克知道了光是由粒子組成的，那么就似乎應(yīng)該問這么一個問題，一個單個的粒子會穿過那條縫，然后會出現(xiàn)什么情況？因為最后的圖形畢竟是由許多單個的粒子組成的。愛因斯坦試圖證明，可以知道粒子是從那條縫中通過的，而且如果收集許多的粒子，就會形成這種圖形。但是波爾已經(jīng)證明他錯了。這是給實驗者提出的問題，實驗者對這種實驗做何反應(yīng)呢？我要說明一點，這種實驗?zāi)壳耙呀?jīng)用多種放射性物質(zhì)做過了，許多種粒子，而不僅僅是光線。
我們?nèi)昵白隽肆硪粋€實驗，直到，今天是星期幾？今天是星期三，直到五天前才完成，這是個世界紀錄。我們得到了一些更好的結(jié)果。這是用碳60和碳70分子做的，這是在1985年發(fā)現(xiàn)的著名的富勒烯。我們實驗的主要目的是顯示生物分子的量子干涉。我們要做的是顯示很大的分子在這種雙柵實驗中所形成的量子干涉，使分子盡可能地像生物分子那么大，為什么？理由很簡單。如果你與生物學(xué)家交談，就會知道目前生物學(xué)的觀念是量子物理只是在化學(xué)中起一點作用，我們或多或少地還是經(jīng)典的機械。當(dāng)我們解釋，比如大腦機能時，使用經(jīng)典物理的方式。這雖然似乎是很合理的觀點，但是卻一點沒得到證實，而且我們身體的一些機能也說明這種觀點是錯誤的。為了證明這是錯誤的，就需要與生物學(xué)家合作，而且要學(xué)會使用同一種語言。因為語言差別很大，進行這種討論的方法之一，是證明量子現(xiàn)象在正常狀態(tài)下的生物分子中確實存在，而不是在人造的環(huán)境中。我們得到的第一個結(jié)果，是普啉產(chǎn)生的。它是一種相當(dāng)復(fù)雜的分子，有四個耳狀結(jié)構(gòu)的扁平的分子，其原子數(shù)是六百，所以很重。它是血紅蛋白的重要組成分子，是許多重要生物物質(zhì)中的核心分子。我們用這種分子同樣能形成干涉圖形，與碳的性質(zhì)一樣。我想說一下，這是在三百攝氏度的溫度下形成的，所以說溫度很高，不是太低。我們用的下一種物質(zhì)是胰島素，大家知道它對調(diào)節(jié)人體內(nèi)糖的轉(zhuǎn)運非常重要。另外，它的原子數(shù)是六千，比富勒烯大十倍。下一個是小的納米晶體，可以制成不同的大小，所以我們很容易控制它的質(zhì)量。另一種很有意思的東西是這種被稱為GFP綠色熒光蛋白的蛋白質(zhì)，原子數(shù)是兩萬七千，能發(fā)出很純凈漂亮的光，所以用起來很有意思。我們還想要用這種東西形成量子干涉，就是用活的細胞，它很大很重，目前對此還沒有什么辦法，但是我們還是想試一試?；谖覀兡壳暗膶嶒?，我們有可能用至少有一千萬原子數(shù)的物質(zhì)形成量子干涉，這相當(dāng)于小的病毒的質(zhì)量。最大的問題是實驗操作上的問題，如何使病毒或分子形成一條直線，并且一個一個地檢測它們等等諸如此類的問題。有很多問題以前從沒有人涉及，所以我們必須要自己想辦法，但我們對此很樂觀。我們從中所了解到的是，量子現(xiàn)象的有效性并不是嚴格地局限于微觀世界，不是局限于很小的東西。大于小的區(qū)別并不是量子與經(jīng)典的區(qū)別，這完全是兩碼事。紐約著名漫畫加查爾斯·亞當(dāng)斯曾畫了一張關(guān)于雙柵實驗的漫畫，我們知道關(guān)鍵問題在這里，他從樹的兩邊過去了，可就是不知道是怎么過去的。他到底是怎么過去的？他玩了些什么花招？這張畫是大約五十年前在紐約發(fā)表的。
現(xiàn)在的觀點是，信息對于解釋量子物理學(xué)起著至關(guān)重要的作用。如果對于粒子的路徑選擇有任何信息，那么就不會有干涉。人們能否知道這個信息并不重要，關(guān)鍵是到底有沒有這種信息的存在？另一方面，如果沒有任何信息，無論你花多少錢也得不到這種信息，那么就會看到干涉。這個理論很有意思，因為干涉圖形，那些條紋就包含著信息。所以你可以選擇；或者知道粒子選擇哪條途徑；或者在干涉圖形中獲得信息。這說明信息在其中起著非常重要的作用。我在演講的最后還要再談這個問題。
在我們的討論中，另一個很重要的概念是糾纏態(tài)。對于不是學(xué)物理的人來說，有關(guān)這個物理學(xué)公式就不多作解釋了。這個問題是1935年由愛因斯坦、卜朵爾斯基和羅森提出的。它與至少兩個以上的，以一種非常有趣、非常密切的方式聯(lián)系在一起的粒子有關(guān)。
現(xiàn)代量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定鍔，發(fā)展了一種量子力學(xué)理論。薛定鍔在1935年稱量子糾纏態(tài)為量子力學(xué)的本質(zhì)，量子力學(xué)最主要的特征。他的意思是說，如果有兩個系統(tǒng)，簡單起見，這里用兩個骰子表示兩個系統(tǒng)。當(dāng)你去測量時，每一個骰子都會給出一個完全隨機的結(jié)果。然而，一旦你去測量一個骰子，對另一個的測量結(jié)果就被確定了。更嚴格地說，一旦你去測量一個粒子，另一個粒子的量子態(tài)立即就被確定了。但是在測量之前卻是完全不確定的。對于像光子之類的粒子來說，我等一會還要談這個問題，這與光的粒子，光子有關(guān)，這意味這極性是完全相關(guān)的，無論是水平的還是垂直的。愛因斯坦稱糾纏態(tài)為幽靈式的超距作用。兩個系統(tǒng)，對一個系統(tǒng)的測量，就能確定另一個的狀態(tài)，無論它們相距多遠。
愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾在二十世紀六十年代，對這種情況進行了研究。他試圖通過一個簡單明了的假設(shè)來分析這個問題。如果兩個系統(tǒng)之間有這種完全相關(guān)，那么自然地這也是愛因斯坦提出的觀點，那么自然地就可以推斷，這個粒子帶有一種性質(zhì)，這種性質(zhì)可以確定測量的結(jié)果。這種隱藏的變量性質(zhì)超出了量子力學(xué)的范圍。就如在色子的例子中，骰子以某種方式可以知道它要給出的點數(shù)，而我們也就可以做出自然的解釋。貝爾定理說明，這種解釋是不可能的，所以粒子之間的完成相關(guān)就不可能有解釋。這種完全相關(guān)是基于粒子本身所具有的性質(zhì)的。所以現(xiàn)在對于粒子的非定域性又一種說法，量子非定域性是用來描述這種情況的，也就是說一個粒子對于另一個粒子的依賴是非定域性的，這種相關(guān)是即時發(fā)生的，不是以光速發(fā)生，不是以任何速度發(fā)生，兩個系統(tǒng)之間相關(guān)性的產(chǎn)生不需要任何時間間隔。有的情況很有意思，當(dāng)你考慮兩個以上的例子時，情況就特別有趣。例如三個粒子，被稱為三個量子位，可以形成一個糾纏態(tài)，就會產(chǎn)生這種情形。在這種情況下，就出現(xiàn)了一種被稱為局域現(xiàn)實的概念，就是說系統(tǒng)的性質(zhì)是在局域確定的。
現(xiàn)在我來談?wù)勱P(guān)于應(yīng)用的問題，量子理論不僅僅是學(xué)術(shù)研究，它不僅僅是我們理解世界的一種有趣方式，它也對信息處理提供了許多有趣的新概念。一個就是量子計算機。世界各地都有許多研制量子計算機計劃，我知道中國也有。我不想詳細地談有關(guān)的具體的硬件，也就是說，它到底是什么樣的？因為今天還沒有人知道，完全處于想象階段。人們在嘗試各種不同的途徑，基本的概念是必需要有一個中央處理器，我借用一個著名的電腦芯片公司的名字，稱之為“昆騰”。基本的概念是我們可以用量子疊加的方式來處理信息。例如，如果要計算開平方，我們可以把數(shù)字4和9，以量子疊加態(tài)的方式同時輸入“昆騰”，那么量子計算機，或用物理術(shù)語來說，一種大量的糾纏狀態(tài)，量子計算機就會計算出結(jié)果。不是一個一個地計算，算完一個再算另一個，而是以疊加態(tài)來計算，就如這個最簡單的例子，我們就可以得到以量子疊加態(tài)的形式輸出的結(jié)果，2和3?，F(xiàn)在人們對于量子計算有各種各樣的說法。我個人覺得，大家知道計算機方面有一種趨勢，就是計算機變得越來越小，其元件如晶體管等等處理信息所用的電子越來越少，如果照目前的情況發(fā)展下去，就會達到量子水平。無論在哪里，這也可能需要二十年的時間。所以說有趣的是，一方面可以從上面開始，越來越小，一步一步發(fā)展到子水平，另一方面，量子力學(xué)可以從下向上發(fā)展，制造出量子計算機。這種情況很不尋常，使我們對未來非常樂觀。但是還需要時間，我個人的估計是，至少需要二十年才有可能制造出量子計算機，不過在座的每個人都可能一舉成名。如果你有發(fā)明量子計算機的好的想法，而且如果你的想法行之有效，你會馬上世界聞名。好想法確實是非常幸運，非常重要的。
下面我要把我討論的重點放在量子通訊上，因為量子通訊是最早在實驗上有所進展的。量子通訊有許多用途，最早得到發(fā)展的是量子密碼，在此我不想提量子密度編碼，這樣就會扯得太遠。可能最令人激動的一種用途是量子遠距傳物。量子密碼是一種對信息進行編碼方法，其安全性是由自然規(guī)律來保證的，不依賴于實驗者的技巧。
我現(xiàn)在就來介紹量子密碼。量子密碼最基本的思想是，人們無法在不破壞或改變量子的狀態(tài)的情況下測量量子。所以當(dāng)一個無權(quán)知道某種信息的人想要竊取信時，就很容易被發(fā)現(xiàn)，這是經(jīng)常被用于實驗的一些原則。我想提一下，在量子密碼中有兩種基本的觀點：一種是使用口令，另一種是使用糾纏態(tài)。我的觀點是，使用糾纏態(tài)的方法是未來發(fā)展的方向，但其要想有充分的發(fā)展卻需要更長的時間，我等一會再說它。這是我們在2000年所做的實驗，基本的思路是什么呢？基本的思路是有一個處于糾纏態(tài)的量子源，我們用的是糾纏態(tài)的光子對兩個光子進行測量。在我們的實驗中，它們的極性是糾纏態(tài)的，就有這種情況。我們假設(shè)極性是以這種方式處于糾纏態(tài)的，即如果被測量的話，兩個極性是相等的。但是當(dāng)實驗還沒有進行時，光子是沒有極性的。我們所做的是向這里發(fā)射一個光子，向這里也發(fā)射一個光子，這里是測量站。在兩邊我們測量光子的極性，這是極化器，這也是極化器產(chǎn)生兩個結(jié)果，一個正的，一個負的。每一邊的結(jié)果都是完全隨機的，這種情況沒有任何內(nèi)在原因。對于發(fā)射的具體的每一時光子來說，可以得到一個正的，一個負的，但是如果測量極化器，在平行方向上兩邊的數(shù)量是一樣的。所以如果你重復(fù)地用許多對光子做實驗，就會得到兩個隨機的序列，兩組完全相符的隨機數(shù)字序列。這種隨機的序列可以用來作為密鑰，在以后為你想傳遞的信息進行編碼。同時，為了種種目的，還有傳統(tǒng)的通訊途徑。
我要說明，這個設(shè)計是由阿圖亞格在1990年提出的，經(jīng)過了將近10年才得以實施。同時有一個傳統(tǒng)的通訊途徑，也就是說在兩邊各有一臺計算機，以交流一些信息。例如，在何時雙方都接收到了一個粒子，而且為了保證信息不被別人獲得，阿麗絲和鮑勃還采用了一些有趣的方法。就是說，他們不僅以一個方向來測量極性，如垂直方向，而且還會偏轉(zhuǎn)45度，他們進行隨機的變換，不受對方影響，在兩個方向上隨機變換。所以，很顯然只有在他們碰巧變換到同一方向上時，兩邊才能接收到同樣的粒子數(shù)。所以他們之間必須有交流，在何時他們采取的是哪個方向，而把他們不在同一方向時的結(jié)果忽略。進一步地，他們還通過選擇檢查其中的某些數(shù)字是否是相同的來避免泄密。一個小的數(shù)字集合，看看它們是否一樣？因為任何人要竊密都會破壞它們的完全相關(guān)。這是兩個密鑰，這是原來的信息，這是個非常著名的人像，大約這么高的人像，是在離維也納不遠的地方發(fā)現(xiàn)的，有兩萬五千年的歷史了，是最早的人像之一。我想告訴你們，我們?yōu)槭裁催x擇這個人像？原因是我們想要一種表現(xiàn)和平的東西。我們不想用任何象征戰(zhàn)爭的東西或諸如此類的東西，任何能用于軍事上的東西。我順便還想說一下，顯然量子密碼的主要的潛在用途是在銀行和工業(yè)方面，而不是在軍事方面。我們所做的是生成這兩個密鑰。
這是一種隨機的圖案，可以看出是完全隨機的。這是用圖形所表現(xiàn)的大量的隨機序列，在我們實驗中大約是六萬比特。要知道這兩個密鑰是在兩邊同時產(chǎn)生的，這很重要。在常規(guī)的密碼中，你必需把密鑰由A處傳至B處，而在這里卻不需要傳遞，它們在兩個地方同時生成，所以就不存在安全傳遞方面的問題?？梢钥闯鰞蓚€密鑰是一樣的，所以要做的就是以某種特定的數(shù)字方式把這兩個圖形結(jié)合，就會產(chǎn)生這種圖像。這個圖像也是完全隨機的，因為密鑰是隨機的，所以超級計算機也無法破譯這種信息。但只有在密鑰第一次使用時是這樣的，如果使用第二次，那就失效了。如果只用一次，那么別人就無法破譯這個信息。鮑勃有同樣的密鑰，所以就能很容易地破譯密碼。局限性之一在于，傳遞的距離只能是二十至三十公里，無論在空間中或在光纖中都是如此。所以在目前量子密碼只能在大城市中應(yīng)用，例如在北京的各個銀行之間。但問題是如何做遠距離的聯(lián)系?，F(xiàn)在來說一點關(guān)于未來的事，我們現(xiàn)在要做的另一個實驗是在多瑙河兩岸建立一個量子通道。大家知道維也納位于多瑙河畔，在多瑙河下面用開關(guān)管鋪設(shè)了用于量子遠距傳輸、量子密碼及其他量子態(tài)情況的長途通道。我們的遠期計劃是在太空中建造量子光學(xué)系統(tǒng)。我說過量子密碼的應(yīng)用中存在的一個嚴重的問題是距離無法超過二十至三十公里，就是因為衰減和光子丟失，我們無法放大光子，這是個大問題。如果放大光子是可能的話，那就違背了量子力學(xué)的基本原理。如果要解決在地面上的兩地傳輸問題，就要在向太空發(fā)射衛(wèi)星，并在地面上的某處和太空中的某處之間建立量子聯(lián)系。這是可行的。因為問題只是空氣，而空氣大約只有十公里的厚度，如果把大氣層壓縮到我們所處的這種密度的話，那它只有大約十公里的厚度，所以在這個地面站和這個衛(wèi)星之間建立量子聯(lián)系就很容易。同樣在這個地面站和這里的衛(wèi)星之間可以建立量子聯(lián)系。在這種情況下有很多方法，一個簡單的方法是發(fā)射一顆的衛(wèi)星，這個衛(wèi)星在這兩點之間產(chǎn)生一個密鑰。然后衛(wèi)星在地球上空移到另一個地方，再在這兩點之間產(chǎn)生一個密鑰，那么很簡單就可以使兩個地面站之間產(chǎn)生想要的密鑰。這是很直接的辦法，而且切實可行。我們現(xiàn)在正在研究并準備很快付諸實施的另一個想法，是在這里建立第三個空間站，使與地面的兩點相聯(lián)系的兩個衛(wèi)星可以通過它進行即時的聯(lián)系。這些想法所需要的是，要在衛(wèi)星上配備處于糾纏態(tài)的光子源。所以我們必需要開發(fā)很小的，能放到衛(wèi)星上的糾纏態(tài)光子源。這并不困難，如果一切進展順利的話，這也不過是只有幾克重的物質(zhì)。所以我們期望在最近幾年內(nèi)就能夠看到這種結(jié)果。
現(xiàn)在我再回到哲學(xué)問題上，我們從開始的哲學(xué)問題，然后到實驗，然后到技術(shù)應(yīng)用，繞了一大圈，現(xiàn)在又回到了哲學(xué)問題上。首先量子力學(xué)是非常正確的，問題是這意味著什么。我在這里簡單地談一下我們對此的理解。實話說，我們的理解可能是錯誤的，我隨時愿意承認這點，其他人可能有不同的理解。最基本的思想是，信息是量子力學(xué)的中心概念。所以，量子力學(xué)并不是關(guān)于現(xiàn)實的，而且關(guān)于信息的，關(guān)于知識的。我引用一些話來說明這點，例如玻爾說，無論量子現(xiàn)象超出經(jīng)典的物理學(xué)的解釋有多遠，但是對任何事情的描述，都必需用經(jīng)典的術(shù)語來表達。經(jīng)典的術(shù)語是指邏輯的陳述，即一個判斷是正確的，還是錯誤的。這是經(jīng)典的信息。玻爾還有一段我非常喜歡的，但更加極端的話，并沒有什么量子世界，只有一個抽象的量子物理學(xué)的描述。認為物理學(xué)的任務(wù)是去發(fā)現(xiàn)自然究竟是怎么樣的想法是錯誤的。物理學(xué)只有關(guān)于我們對自然能做何描述。這也是哲學(xué)家們很久以前就告訴過我們的。就是說人們根本不可能判斷自然到底是什么？我們只能討論如何來描述自然?，F(xiàn)在對一個很老的問題有一種簡單的回答，這個問題是由美國著名的物理學(xué)家和生物學(xué)家韋勒提出來的。即世界為什么表現(xiàn)出是量子化的，最簡單的理由是什么？暫且不管它，我說說這個理由。
以我們的觀點來看，如果假定信息是最基本的概念，這里有一個理由，我一會兒就說。既然信息是最基本的概念，那么當(dāng)我們描述某種情況時，某個系統(tǒng)時，就必需做判斷，就必需使用邏輯的前提，你只能用一個前提，二個前提，三個前提等等。你不能用一點五個前提，所以在計算機化的情況下，你只能用一、二、三、四、五個比特等等。因此我們的建議是，這只是個建議，因為還有許多東西有待證明，世界表現(xiàn)為量子化的，是因為信息是量子化的。信息在做判斷時是量子化的，所以世界就表現(xiàn)為量子化的。例如你們許多人都知道的，著名的薛定鍔的貓謬題，如果以這種觀點來看，這個問題就馬上不存在了。薛定鍔的貓謬題是這樣的，把一只貓關(guān)在某個有致命裝置的機關(guān)里面，其中有毒藥，有錘子，錘子可以敲碎裝毒藥的瓶子。在這里面有放射性的原子，它可能發(fā)生衰變，也可能不發(fā)生衰變。如果發(fā)生了衰變，錘子就落下來，敲碎瓶子，釋放毒藥，貓就會死。如果不發(fā)生衰變，瓶子中的毒藥就不會泄露，貓就會幸福地活著。量子力學(xué)告訴我們，經(jīng)過一段時間以后，這個原子就會處于一種衰變和不衰變的疊加狀態(tài)。因此，如果量子力學(xué)如人們所認為的那樣是普遍適用的，那么這個貓也就處于死與活的疊加狀態(tài)。這個問題經(jīng)常被人們錯誤地表達為，量子力學(xué)預(yù)言，這只貓是處于一種既死又活的狀態(tài)。以我們的觀點來看，我們所能說的只不過是我們所具有的信息是這樣的。因為并沒有客觀的方式來說明貓是死是活，所以不能說。我們對現(xiàn)實無法下判斷，只能對我們的知識下判斷。我們的知識說，兩種結(jié)果都有同樣的可能性，我們對此無法區(qū)別。所以只能用疊加態(tài)來描述這種情況，我們無法獨立于實驗而對真實發(fā)生的情況下判斷。
我想總結(jié)一下。如果你們對某些基本的概念有更多的興趣，美國的著名的科學(xué)作家Hans Christian Von Baeyer在2001年2月17日出版的《新科學(xué)家》雜志上發(fā)表了一篇文章，對我們關(guān)于量子力學(xué)的觀點做了一些基本概念的解釋。我們總是在談?wù)撐磥?，未來的發(fā)展，但未來總是很難預(yù)測，基本上無法說未來將會怎么樣。一旦發(fā)現(xiàn)自己不對，我也很愿意把自己的觀點做為錯誤的來批評。我引用一段1949年發(fā)表于《大眾機械雜志》上的話來做為結(jié)束。盡管愛尼阿克，愛尼阿克是最早的計算機之一，盡管愛尼阿克的計算器裝有一萬八千個真空管，并且重達三十噸。但未來的電腦可能只有一千個真空管，而且只有一噸半重。這個對未來的偉大預(yù)言怎么樣？非常感謝大家。
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