今年諾獎的量子物理，其應用早已觸及IoT

近日，2022年諾貝爾物理學獎獲得者正式揭曉，獲獎者分別爲法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF. Clauser）和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger）。

2022年諾貝爾物理學獎獲獎者

乘着近年來火爆的量子力學大風，今年物理學諾獎的頒佈也成了大衆關注的熱點。不過，量子物理其實早已應用在了人們生活的各個方面。只是在介紹這些應用之前，還需先簡單瞭解什麼是量子物理。而要說清楚這一問題，還得從愛因斯坦那句“上帝不會擲骰子”說起。

因果論和隨機性，量子物理史上的三次論戰

“上帝不會擲骰子”來自於愛因斯坦同玻爾的辯論中。當時，以玻爾爲首的哥本哈根學派認爲，在量子力學中存在不確定性原理，也即“粒子的位置與動量不可同時被確定”。（玻爾是1922年諾貝爾物理學獎獲得者，提出了互補原理）

而這點讓愛因斯坦很疑惑，他表示不認同玻爾的物理哲學。愛因斯坦認爲，物理就是通過找出與因果相關的變量，來量化自然裡的事物，一切未被解釋或定性的，只是沒有確定某個變量。於是愛因斯坦堅信因果論，不承認自然界存在隨機性，更別說不確定性原理。

愛因斯坦與玻爾

相反地，玻爾很堅持自己學派的理論，承認這種隨機性。（哥本哈根學派包括玻爾、海森堡、泡利和玻恩等物理學家）

在波函數的概率詮釋中，哥本哈根學派認爲，量子力學必須放棄傳統力學的因果律和決定論，而把概率看作本質。

在海森堡提出的不確定性原理中，海森堡認爲，在用宏觀儀器觀測微觀粒子時，觀測這個動作即對微觀粒子造成了干擾，如同盲人想知道雪花的形狀和構造那樣。（在量子物理的測量中，即增加位置的確定性，便降低了動量的確定性，在時間和能量上也適用）

在玻爾提出的互補原理中，對不確定性原理進行了補充，玻爾表示，微觀粒子具有波粒二象性，即粒子和波兩種圖像不能同時存在。但爲提供完整的描述，又必須將這兩種圖像結合互補。（波粒二象性，如一條來回奔跑的狗可以被描述跑的路線，也可以被描述在某一位置的靜止狀態，但兩種描述不能同時存在）

但愛因斯坦認爲，如果承認隨機性、摒棄因果論，如果量子力學僅可建立在可觀察量的基礎上，那理論便限制了人能觀察到的東西，那物理研究的意義何在，所以表明立場——量子力學不具有完備性。

之後，也就爆發了物理學史上最精彩的幾次論戰。畢竟愛因斯坦對概率性和不確定性早已不滿。

索爾維會議

第一次論戰

在1927年的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦發起了第一次進攻——針對位置與動量。他設計了雙縫干涉理想實驗，通過控制電子槍使電子逐個發射，屏上的顯示即爲電子的位置，而關閉一個縫隙，即可知道電子從哪個縫出來，從而測出其路徑。由於干涉條紋可以計算電子波的波長，所以可以算出電子的動量，於是動量和位置同時可知，不確定性被推翻。

玻爾思考良久反駁道，如果關閉了其中任何一個縫，雙縫的干涉現象便不復存在，實驗又回到了單縫狀態。更重要的是，電子行爲依賴於壁障上是否有多的狹縫，即依賴於我們對實驗的安排。於是，愛因斯坦的理想實驗進攻失敗，還成了用互補原理證明波粒二象性的例子。

第二次論戰

在1930年的第六屆索爾維會議上，愛因斯坦發起了第二次進攻——針對時間和能量。他設計了一個理想光子箱，裡面裝着光和鐘錶，在某一特定時間讓一粒光子從箱子的小縫飛出，然後稱得箱子的質量改變情況（由於光再小也具有有效質量）。根據愛因斯坦的質能方程，即可測出能量變化，同時在鐘錶計時的情況下，時間也得到了測量，不確定性再被推翻。

玻爾聽完此實驗面色蒼白，不過在一晚上的思考之後，他作出了漂亮的回答。由於光子箱是由彈簧秤測量，而當光子飛出引起箱子質量變化時，箱子也必將沿重力方向運動。此時即使質量測量準確，但由於箱子在重力場發生了位置變化，箱內鐘錶的快慢也將因廣義相對論的紅移效應而改變，從而使得時間的測量產生一個不確定量，於是時間的測量仍不夠準確。

於是，第二次論戰中，愛因斯坦再敗，但他很滿意玻爾的解釋。

第三次論戰

在這之後，愛因斯坦並未放棄，仍堅持認爲量子力學不夠完備。於是便在1935年聯合波多爾斯基、羅森發佈了著名的EPR悖論，這次愛因斯坦引用了量子力學的“全同粒子”概念，再次向不確定性原理發起了進攻。（全同粒子是指處於一個原子內部的兩個電子，在脫離原子成爲獨立電子後，還能具有完全相同的屬性）

愛因斯坦假設，全同粒子A和B沿反方向飛去，根據動量守恆，A和B動量必定相反，A飛了多遠B也一樣。於是此時測量A的動量，便可得B的動量，此時測量B的位置，也能求出A的位置。如此每個粒子都只測了一次，卻知道了它們的動量和位置信息，又一次推翻了不確定性原理。

這一次，玻爾回答說，A和B應該算作一個量子系統，用同一個波函數表示，當你測量A的動量時，其實就已經破壞了B的位置信息，反之亦然。這兩個粒子雖然分開，但處於某種“糾纏狀態”。

愛因斯坦這次可不買賬，他拿出了相對論來反駁：這兩個粒子可以相距幾十光年，那它們還會相互影響嗎？難道說它們之間存在超光速的超距作用（也稱爲非定域性，即超越時空瞬間地作用和傳播）？玻爾直到去世也沒給出直接回答。

量子糾纏

後來，愛因斯坦引入了量子糾纏的概念，也就是說，不確定性原理之所以成立，是因爲量子之間存在超光速的糾纏效應。而這個糾纏效應用因果論的話來說，就是一個隱變量，如果能準確找出並定性該隱變量，就能準確地同時測算出位置和動量、時間和能量，也就不會出現不確定性。

關於這個隱變量，玻爾不承認它的存在，而且後續也不再有針尖對麥芒的論戰，大家都在“各說各的”。於是當時的學術氛圍變成——要麼選擇相信隨機性，跟隨哥本哈根學派；要麼去找出愛因斯坦都找不出的隱變量。因此，量子力學的研究停滯不前。

直到貝爾實驗和貝爾不等式的出現，終於在隱變量這朵大烏雲下，讓量子力學重新看到了曙光。

愛因斯坦頭號迷弟的成就竟是證明愛因斯坦錯了

根據本次諾獎官方通稿表示，“此獎爲表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立。並開創了量子信息這一學科。”

不過，貝爾是誰？什麼是貝爾實驗和貝爾不等式？

貝爾與貝爾不等式

約翰·斯圖爾特·貝爾同樣是一名物理學家，只不過生得比較晚，在愛因斯坦和玻爾論戰之時，貝爾纔不到十歲。但他後來是愛因斯坦的忠實追隨者，爲證明EPR佯謬的正確性，他在1964年提出了著名的貝爾不等式，以巧奪天工的邏輯，找出了隱變量存在的證據。

貝爾不等式涉及到三維空間內的粒子自旋運動，解釋起來比較麻煩。筆者在網上找到一個容易理解的類比式版本，可以輕鬆讀懂貝爾實驗的內核。

首先，將粒子發射器比作房子，左右兩扇門比作發射口，粒子比作人，粒子的屬性爲人的性別。最初，一個房間左右兩扇門，隔一定時間，每一扇門分別走出一男或一女。A記錄左門，B記錄右門，結果證明一個規律，左右門走出男女情況一定相反。

AB記錄房子裡走出的男女示意圖1

之後加入變量，A保持面對左門記錄，B背對右門等人出來之後再記錄。結果發現，他們所記錄的情況出現了1%的誤差。於是規律改變：當A或B背對門記錄時（觀測方法改變時），左右門走出來的男女情況有1%的概率相同，這同時證明每一對走出來的人存在交流（即存在量子糾纏）。

AB記錄房子裡走出的男女示意圖2

之後再加入變量，A、B同時背對門等人出來後記錄，於是按照過往規律，誤差將≤2%。若誤差情況在預計中，即證明隱變量存在且可控，愛因斯坦正確。但如果誤差＞2%，即證明玻爾正確，量子力學存在不確定性。

AB記錄房子裡走出的男女示意圖3

但實驗並未完成，因爲當時配置不夠，貝爾以理論推導出貝爾不等式，認定此誤差≤2%，證明愛因斯坦的理論正確。

不過隨着時代發展，配置逐漸齊全，後人（也即近日斬獲諾獎的三人）仍在不斷進行貝爾的實驗，只是後來的結果卻與貝爾不等式相悖。也即是說，前文提到的誤差，在後來克勞澤的實驗中大到令人難以置信，貝爾不等式也被證明在量子世界中不成立。

而由此可推出那場物理界大型論戰的結果——愛因斯坦錯了，玻爾是對的。

但這不是最終結論，因爲實驗仍在繼續，物理學家們想搞清楚誤差是怎麼出現的。於是在阿斯頓的實驗裡，他設計了超長的距離。回到之前的類比，他想知道——房間走出來的那對人，其性別是取決於AB的觀測方法；還是說人出來時沒有性別，是雙方聯繫後才決定各自性別的。

也就是想知道，被髮射粒子的屬性是與生俱來的；還是說粒子出來時不具備屬性，而是會相互聯繫並判斷觀測者的觀測方法，來決定自己呈現什麼樣的屬性。

結果令人大吃一驚。第一是粒子出現時不具備屬性，攜帶什麼樣的屬性的確是取決於觀測者的觀測方法；第二是粒子間的確存在相互聯繫，而且由於實驗中成對的粒子距離足夠遠，消息的交互早已超過了光速，這點證明了超距作用的存在，也即量子糾纏的確存在。

這是一個令不少人三觀崩塌的結論。也就是照此邏輯，在量子世界裡，各粒子都不自帶屬性，所謂的“客觀存在”也不成立？我們如何觀測它，它就如何呈現自己的屬性，那量子世界完全由我們的主觀構成嗎？

這點或許得相當專業的人士才能解答。不過筆者還知道一些，關於量子物理在現今和未來有什麼用。

量子應用多點開花，物聯網領域已開始試點

就目前的發展來看，量子技術將對物聯網產生不少積極影響，包括對計算能力、網絡延遲、互操作性、實時分析等功能的優化，同時增加數據存儲能力，爲雲計算提供安全保障。另一方面，在新興的5G電信基礎設施中，量子加密將是提高IoT連接量增速的解決方案。

量子物聯網還可以提升數據流的可操作性，將來自不同邊緣的數據流（從產品線上的裝備到消費品中的傳感器）結合至AI中，可以有效改變人們工作、生活和娛樂的方式。由於同傳統計算機的01編碼不同，量子編碼的三維複數形式將徹底改變開發環境，但並不影響物聯網的定義，反而加速了物聯網的覆蓋。

最重要的是，量子計算出現在物聯網領域，即可讓所有電子設備均能在互聯網上完成尋址。

今年年初，量子物理已應用在燃氣表上。據悉，國內首批“量子安全智能燃氣表”已經在合肥開始試點，開展基於量子安全技術的NB-IoT物聯網燃氣表的研發和示範應用。目前初定的目標是改造換表20萬塊，新增物聯網表8萬塊。其中通信技術利用量子密鑰加密，可實現保密安全通信，保障燃氣用戶的數據信息安全。

量子燃氣表

同時，合肥已開通量子城域網。該項目是目前國內規模最大、用戶最多、應用最全的量子保密通信城域網；該網絡含8個核心節點和159個接入節點，量子密鑰分發網絡光纖全長1147公里，可爲市、區兩級黨政機關提供量子安全接入服務和數據傳輸加密服務，提升電子政務安全防護水平。

不僅如此，在通信領域，今年五月中國電信發佈了業內首款基於量子信息技術的VoLTE加密通話產品――天翼量子高清密話。同時發佈了業內首款搭載量子安全通話產品的手機天翼1號2022，該產品採用國產定製手機、量子安全SIM卡和國密算法“三重保護”，爲用戶提供“管-端-芯”一體化安全防護，帶來保密通信創新應用。

除此之外，作爲新型安全加密工具，後量子密碼和量子密鑰已受到軍事物聯網重點關注。後量子密碼不能被量子計算機攻破，目前美國已在佈局。而量子密鑰分發則在歐盟受衆更多，其允許在數學上證明安全性的情況下進行安全的加密密鑰交換。

在物聯網行業，大部分技術都最先作用於軍事（比如通信類的藍牙和UWB等），於是也能據此判斷未來消費端的趨勢。在未來，量子物聯網也將成爲某個時代的主旋律。

結語

回到文章開頭因果論與隨機性的問題上，結合物理學家們的爭論不難發現，物理問題早已變成了哲學問題，也因此得不到完美的答案。

但通過結論可以確定，我們已無法再用現實世界的標準去看待量子世界。愛因斯坦想通過因果關係理順量子物理的邏輯，結果量子並不自帶屬性，無法被定義因果；玻爾想通過承認隨機性來理解量子物理，結果量子卻不表現出隨機，只是隨觀測方法而變化。

隨着本次諾貝爾獎頒佈，一方面記錄了物理學家們的貢獻，更是爲量子世界打開了新的大門，不難得知，以後還將出現更多刷新我們的世界觀的理論出現。

另一方面，隨着量子逐漸被理解和開發，人們也將更多地接觸並運用它，只是在未來，仍有頗多未知和挑戰在等待着我們。

>End

本文轉載自“物聯傳媒”，作者：梧桐，原標題《今年諾獎的量子物理，其應用早已觸及IoT》。

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