苗千

人类需要光、依赖光。

不仅各种宗教典籍多以宇宙中的第一缕光线开篇，现代物理学的开端与发展也始终与光有关，从光的微粒学说和波动学说之争，延伸至认识到光的波粒二象性，到对于量子纠缠现象的理解，一直发展至量子计算机研究，人类文明的进步与对于光的认识一直紧密相连。

开创了现代物理学的大科学家牛顿在1704年完成巨著《光学》，论证光是由极微小的颗粒构成，他用一块三棱镜把一束白光分解为一条彩色的光谱，证明白光是由各种单色光的颗粒所组成，这与当时荷兰物理学家惠更斯的光波动学说相对立。因为当时牛顿威名赫赫，使得物理学界长期倾向于光的微粒说。

直到大约100年之后，英国物理学家托马斯·杨用光的双缝干涉实验证明了光具有和水波相似的干涉性质，无可置疑地证明了光的波动性质，人类对于光的本性的认识自此产生了180度的转变，而随后麦克斯韦提出的电磁学理论，把光、电、磁三种现象统一起来，利用波动方程加以描述，光的波动性质已经完全清晰了。

挽救了光的粒子理论的是爱因斯坦，他通过光电效应提出了光量子假说，认为光的能量是一份一份地被发射和吸收的，这个假说最终得到了证实。到了1927年，保罗·狄拉克证明光子是电磁场与电荷相互作用的量子态激发——人类终于从理论层面认识到光的波粒二象性：光的干涉现象体现了波动性，而对光的吸收和探测则体现了粒子性。粒子的波粒二象性只是微观世界奇异现象的一部分而已，更令人迷惑的则是微观世界的量子纠缠现象。

假设一个自旋为0的粒子衰变为两个自旋为1/2的粒子，这两个粒子无论相隔多远都将处于一种纠缠态之中。根据角动量守恒的原则，在任何方向上，这两个自旋为1/2的粒子的自旋方向将总是相反的（虽然在未被测量之前，这两个粒子的自旋方向并不确定）——在被测量之前，人类没有任何机会、任何信息能够预测两个粒子的自旋方向。这两个粒子的自旋状态实际上是处于向上和向下的叠加态，这种状态会持续到测量行为的发生。但是测量行为使量子叠加态立刻转变为一个确定的数值，这两个粒子无论相隔多远，对其中一个粒子的测量都会立即使另一个粒子的状态也从叠加态变成确定态。

自从量子力学诞生之日起，如何理解量子力学就成了一个重要的问题，而理解量子纠缠现象，被大多数物理学家认为是理解量子力学的核心问题。处于纠缠态的粒子状态并不独立，而是与另一个相联系，正如量子力学的创始人之一埃尔文·薛定谔所说：“量子纠缠中有着量子力学的精髓。”量子计算、量子加密和量子传输技术都依赖处于纠缠态的粒子之间的相互作用，但是这种在微观世界中非常普遍的量子纠缠现象至今都无法被处于宏观世界的人类所理解，这就涉及宏观与微观之间的区别，以及如何寻找微观和宏观之间的界限。

在1935年，薛定谔就意识到了量子力学在宏观世界中有着更为复杂的体现，而且把量子力学的理论应用在宏观世界有可能导致非常奇异的结果，例如生死难辨的“薛定谔的猫”，正是量子叠加态的宏观体现。“薛定谔的猫”显然使薛定谔自己也感到迷惑，甚至让人开始怀疑“真实”的意义。为了某种程度上的自我安慰，在1952年他写道：“我们从来不会用单个的电子或是原子或是（小）分子做实验。在假想实验中，有的时候我们可以设想这样做，但是这总会无可避免地导致荒谬的结果。”

“真实”元素的缺失说明量子力学并不完备，但是近年来各种越来越精确的贝尔实验说明量子力学确实打破了爱因斯坦关于定域性的局限，或许微观世界的“非定域性”和量子纠缠才是“真实”最基本的元素。研究量子纠缠现象，探索微观与宏观之间的界限，目前大多数的精密实验都是利用光子来完成的。光子统计学和光子计数技术的发展让人们可以真正检验经典力学和量子力学在光子概念上的不同，很多此前的思想实验已经变为现实。实际上，现在人类已经可以利用单个的光子、电子、原子进行实验，IBM公司甚至利用单个原子组成的图像拍摄出了世界上最小的电影，这些成就显然都是薛定谔那一代物理学家所无法想象的，很多假想实验早已成为现实，但是量子力学所带来的困惑与那个时代并无太大不同。

在与爱因斯坦关于量子力学本质的争论过程中，玻尔强调，宏观与微观之间的这条分界线必须是可以移动的，人的神经系统也可以被认为是一种量子系统。惠勒对此进行了更清晰的表述：“没有任何现象算得上是现象，直到它们被记录下来（被观测到）。”——这正是哥本哈根学派的观点，也是目前物理学界的主流观点。

量子计算技术需要利用到量子纠缠现象，这项技术直指量子力学的本质。定域性、因果律，这些在宏观世界不可打破的规则在微观世界不再是不可打破的规律，两者之间的区别究竟在哪里？量子力学的创始人之一玻尔在量子领域和宏观领域之间画出了一条线：测量工具和观测者属于宏观领域，被测量的量子系统在分界线的另一边。但问题在于，这条分界线的具体位置至今也不清楚。把微观与宏观世界之间的分界线推到极致就产生出多重宇宙理论，到了物质世界和意识之间，整个宇宙都是量子态的表述，每一次观测都会诞生无穷多个宇宙，但这仍然是对于量子力学本质某种意义上的回避。

不仅是进行量子纠缠实验，在量子通讯和量子计算研究中光也具有重要的作用。光子能够以最快的速度传递信息，而且不容易与周围环境相互作用发生退相干，相对来说容易进行高精度的操作，因此最合适用来进行通讯。光子之间的相互作用产生了许许多多传统力学完全无法解释的现象，对于一种新现象的理解，也就意味着人类可能对于一种新现象加以利用。因此，对于量子计算机的研究很可能帮助人类最终理解量子纠缠现象的本质。

1994年在科罗拉多博尔得举行的一次原子物理学会议上，牛津大学物理学家阿瑟·厄克特（Artur Ekert）举行了一次关于量子计算的讲座，他的讲座启发了马克斯普朗克研究所的物理学家伊格纳西奥·西拉克（Ignacio Cirac）和奥地利物理学家彼得·佐勒（Peter Zoller），他们在1995年第一次提出了实现量子处理器的想法，利用一个离子的两种状态来实现一个量子比特，但在目前大量的量子计算和量子通信实验中，人们仍然经常使用易于操作的光子。人类理解光、操纵光的历史，正在书写一个新的篇章。