佯谬与非定域量子纠缠态

一个有趣的事实是，20世纪20年代中后期量子力学创立后，作为早期光量子理论提出人的爱因斯坦始终拒绝接受该理论。并说：“我不相信上帝会喜欢掷色子。”来反对量子力学的非拉普拉斯决定论。

1935年，爱因斯坦、鲁道尔斯基和罗逊发表了一篇批判量子力学的文章，后来被称为EPR论文或EPR思维。然而，1951年玻姆所阐述的EPR思维提示了一种奇怪的量子相关。当两个旋转粒子相互作用后分开很远，其自旋相等而且相反，故可从一个推断另一个。根据量子力学，两者的自旋都不确定，直到测出为止。测量确定了一个粒子的自旋方向，量子相关使另一粒子立即接受确定的自旋。这一结果即使二者相距若干光年也对。这种远距离作用暗示，粒子间有一种超光速作用存在。这是爱因斯坦所不能接受的——正是这类事使他苦恼并与量子力学保持距离……

贝尔不等式的推导是以局域性实在论为前提的，是和EPR论文是一致的。局域性 （或说成为可分离性）是狭义相对论的基本原则，而波尔早就在与爱因斯坦的长期辩论中指出，可分离性在量子领域中并不成立。一个系统中的两个子系统，即使被分开也不再是互不相干的独立存在，而这正是爱因斯坦所极力反对的。不等式意味着局域实在性对相关程度的限制使相关位于某个区间，而量子力学对相关程度的预言却是严格的等式。这中间究竟谁是谁非当然只有靠实验来加以检验。

1981～1983年，法国物理学家A.Aspect领导完成的实验以高精度证明结果大大违反贝尔不等式，而与量子力学的预言极为一致。他们的实验被认为是最典型和最重要的。实验用了两套相同的仪器，它们相距15米远。按量子力学的预言，即使两套仪器相距甚远它们对光子的测量结果，仍有很强的相关性。因此如果实验果真能够获得较强的相关性的本身，就否定了爱因斯坦的可分离性的简单的世界图景。而实验的测试结果，贝尔参数S＝0.101±0.020，与量子力学的计算结果S＝0.112十分接近，而与贝尔不等式规定的数据-1≤S≤0相差很远。基于围绕贝尔不等式实验研究的重要性，科学家不仅不断地进行类似的试验，而且不断扩大两个子系统间的距离。1998年G.Weihs等完成的实验，空间距离为400米的情况下，用波长702纳米的双光子进行测量，其结果也违反贝尔不等式而完全支持量子力学。2005年，瑞士科学家N.Gisin等人在一个利用铺设在日内瓦湖底部的光缆实验中，把纠缠光子对反向送出后，在25千米的距离上测试显示，结果与贝尔不等式相反。美国的P.Kwait小组也有类似结果。我国的学者潘建伟教授，在这方面也做出了出色的工作。这使人们认识到：“超光速信号可能在粒子间传播。”不仅是静态的，而且用动态装置检验了EPR的可分性 （即局域性）原则，为物理学评价提供了可信的根据。在Aspect实验（以及其他实验）公布之后，拥护量子力学、不同意EPR的物理学家人数增多了。例如，法国物理学家B.d Espagnat说“几乎可以肯定局域实在论有错误”。又如，英国物理学家、Nobel物理奖得主B.Josephson说，也许宇宙的某一部分 “知道’另一部分，即一种有条件的远距接触 （虽然互相不在一起）。但是，人们对承认 “存在超距作用”仍有很大的疑虑（这不就回到了I.Newton的绝对空间）；然而，也有人（如K.Popper）认为“应当考虑存在超距作用的可能”。可见，对EPR思维的讨论又与“超光速的可能性问题”相联系着。至于玻姆，他在1992年去世前，一方面排除 “用超光速传递信息”的可能性，但又说：“从深层次看就会发现有超光速的东西。”

对量子纠缠态的研究导致了量子信息学的建立。为了避免别人说自己 “反对爱因斯坦”，一些研究量子信息学的专家谨慎地与超光速研究拉开距离。然而，不久前有报道说， 2000年N.Gisin等在瑞士的实验测量得到量子纠缠态（QES）的作用速度为（104～107）c。这是重要的情况，表示这个作用速度不是无限大，而是超光速的。这虽然并不表示可以自动实现所谓 “量子超光速通信”，亦即量子纠缠不能传递经典信息，但证明 “量子信息超光速”也有其意义。

量子纠缠和信息传递示意图

在量子力学保护伞下来偷尝 “超光速禁果”有着某种安全感，因为量子力学从一开始就反对拉普拉斯的因果决定论。因此量子力学意义下的超光速运动似乎不威胁爱因斯坦圣经。