今年诺奖的量子物理，其应用早已触及IoT

　　近日，2022年诺贝尔物理学奖获得者正式揭晓，获奖者分别为法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（JohnF. Clauser）和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）。

　　2022年诺贝尔物理学奖获奖者

　　乘着近年来火爆的量子力学大风，今年物理学诺奖的颁布也成了大众关注的热点。不过，量子物理其实早已应用在了人们生活的各个方面。只是在介绍这些应用之前，还需先简单了解什么是量子物理。而要说清楚这一问题，还得从爱因斯坦那句“上帝不会掷骰子”说起。

　　因果论和随机性，量子物理史上的三次论战

　　“上帝不会掷骰子”来自于爱因斯坦同玻尔的辩论中。当时，以玻尔为首的哥本哈根学派认为，在量子力学中存在不确定性原理，也即“粒子的位置与动量不可同时被确定”。（玻尔是1922年诺贝尔物理学奖获得者，提出了互补原理）

　　而这点让爱因斯坦很疑惑，他表示不认同玻尔的物理哲学。爱因斯坦认为，物理就是通过找出与因果相关的变量，来量化自然里的事物，一切未被解释或定性的，只是没有确定某个变量。于是爱因斯坦坚信因果论，不承认自然界存在随机性，更别说不确定性原理。

　　爱因斯坦与玻尔

　　相反地，玻尔很坚持自己学派的理论，承认这种随机性。（哥本哈根学派包括玻尔、海森堡、泡利和玻恩等物理学家）

　　在波函数的概率诠释中，哥本哈根学派认为，量子力学必须放弃传统力学的因果律和决定论，而把概率看作本质。

　　在海森堡提出的不确定性原理中，海森堡认为，在用宏观仪器观测微观粒子时，观测这个动作即对微观粒子造成了干扰，如同盲人想知道雪花的形状和构造那样。（在量子物理的测量中，即增加位置的确定性，便降低了动量的确定性，在时间和能量上也适用）

　　在玻尔提出的互补原理中，对不确定性原理进行了补充，玻尔表示，微观粒子具有波粒二象性，即粒子和波两种图像不能同时存在。但为提供完整的描述，又必须将这两种图像结合互补。（波粒二象性，如一条来回奔跑的狗可以被描述跑的路线，也可以被描述在某一位置的静止状态，但两种描述不能同时存在）

　　但爱因斯坦认为，如果承认随机性、摒弃因果论，如果量子力学仅可建立在可观察量的基础上，那理论便限制了人能观察到的东西，那物理研究的意义何在，所以表明立场——量子力学不具有完备性。

　　之后，也就爆发了物理学史上最精彩的几次论战。毕竟爱因斯坦对概率性和不确定性早已不满。

　　索尔维会议

　　第一次论战

　　在1927年的第五届索尔维会议上，爱因斯坦发起了第一次进攻——针对位置与动量。他设计了双缝干涉理想实验，通过控制电子枪使电子逐个发射，屏上的显示即为电子的位置，而关闭一个缝隙，即可知道电子从哪个缝出来，从而测出其路径。由于干涉条纹可以计算电子波的波长，所以可以算出电子的动量，于是动量和位置同时可知，不确定性被推翻。

　　玻尔思考良久反驳道，如果关闭了其中任何一个缝，双缝的干涉现象便不复存在，实验又回到了单缝状态。更重要的是，电子行为依赖于壁障上是否有多的狭缝，即依赖于我们对实验的安排。于是，爱因斯坦的理想实验进攻失败，还成了用互补原理证明波粒二象性的例子。

　　第二次论战

　　在1930年的第六届索尔维会议上，爱因斯坦发起了第二次进攻——针对时间和能量。他设计了一个理想光子箱，里面装着光和钟表，在某一特定时间让一粒光子从箱子的小缝飞出，然后称得箱子的质量改变情况（由于光再小也具有有效质量）。根据爱因斯坦的质能方程，即可测出能量变化，同时在钟表计时的情况下，时间也得到了测量，不确定性再被推翻。

　　玻尔听完此实验面色苍白，不过在一晚上的思考之后，他作出了漂亮的回答。由于光子箱是由弹簧秤测量，而当光子飞出引起箱子质量变化时，箱子也必将沿重力方向运动。此时即使质量测量准确，但由于箱子在重力场发生了位置变化，箱内钟表的快慢也将因广义相对论的红移效应而改变，从而使得时间的测量产生一个不确定量，于是时间的测量仍不够准确。

　　于是，第二次论战中，爱因斯坦再败，但他很满意玻尔的解释。

　　第三次论战

　　在这之后，爱因斯坦并未放弃，仍坚持认为量子力学不够完备。于是便在1935年联合波多尔斯基、罗森发布了著名的EPR悖论，这次爱因斯坦引用了量子力学的“全同粒子”概念，再次向不确定性原理发起了进攻。（全同粒子是指处于一个原子内部的两个电子，在脱离原子成为独立电子后，还能具有完全相同的属性）

　　爱因斯坦假设，全同粒子A和B沿反方向飞去，根据动量守恒，A和B动量必定相反，A飞了多远B也一样。于是此时测量A的动量，便可得B的动量，此时测量B的位置，也能求出A的位置。如此每个粒子都只测了一次，却知道了它们的动量和位置信息，又一次推翻了不确定性原理。

　　这一次，玻尔回答说，A和B应该算作一个量子系统，用同一个波函数表示，当你测量A的动量时，其实就已经破坏了B的位置信息，反之亦然。这两个粒子虽然分开，但处于某种“纠缠状态”。

　　爱因斯坦这次可不买账，他拿出了相对论来反驳：这两个粒子可以相距几十光年，那它们还会相互影响吗？难道说它们之间存在超光速的超距作用（也称为非定域性，即超越时空瞬间地作用和传播）？玻尔直到去世也没给出直接回答。

　　量子纠缠

　　后来，爱因斯坦引入了量子纠缠的概念，也就是说，不确定性原理之所以成立，是因为量子之间存在超光速的纠缠效应。而这个纠缠效应用因果论的话来说，就是一个隐变量，如果能准确找出并定性该隐变量，就能准确地同时测算出位置和动量、时间和能量，也就不会出现不确定性。

　　关于这个隐变量，玻尔不承认它的存在，而且后续也不再有针尖对麦芒的论战，大家都在“各说各的”。于是当时的学术氛围变成——要么选择相信随机性，跟随哥本哈根学派；要么去找出爱因斯坦都找不出的隐变量。因此，量子力学的研究停滞不前。

　　直到贝尔实验和贝尔不等式的出现，终于在隐变量这朵大乌云下，让量子力学重新看到了曙光。

　　爱因斯坦头号迷弟的成就竟是证明爱因斯坦错了

　　根据本次诺奖官方通稿表示，“此奖为表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立。并开创了量子信息这一学科。”

　　不过，贝尔是谁？什么是贝尔实验和贝尔不等式？

　　贝尔与贝尔不等式

　　约翰·斯图尔特·贝尔同样是一名物理学家，只不过生得比较晚，在爱因斯坦和玻尔论战之时，贝尔才不到十岁。但他后来是爱因斯坦的忠实追随者，为证明EPR佯谬的正确性，他在1964年提出了著名的贝尔不等式，以巧夺天工的逻辑，找出了隐变量存在的证据。

　　贝尔不等式涉及到三维空间内的粒子自旋运动，解释起来比较麻烦。笔者在网上找到一个容易理解的类比式版本，可以轻松读懂贝尔实验的内核。

　　首先，将粒子发射器比作房子，左右两扇门比作发射口，粒子比作人，粒子的属性为人的性别。最初，一个房间左右两扇门，隔一定时间，每一扇门分别走出一男或一女。A记录左门，B记录右门，结果证明一个规律，左右门走出男女情况一定相反。

　　AB记录房子里走出的男女示意图1

　　之后加入变量，A保持面对左门记录，B背对右门等人出来之后再记录。结果发现，他们所记录的情况出现了1%的误差。于是规律改变：当A或B背对门记录时（观测方法改变时），左右门走出来的男女情况有1%的概率相同，这同时证明每一对走出来的人存在交流（即存在量子纠缠）。

　　AB记录房子里走出的男女示意图2

　　之后再加入变量，A、B同时背对门等人出来后记录，于是按照过往规律，误差将≤2%。若误差情况在预计中，即证明隐变量存在且可控，爱因斯坦正确。但如果误差＞2%，即证明玻尔正确，量子力学存在不确定性。

　　AB记录房子里走出的男女示意图3

　　但实验并未完成，因为当时配置不够，贝尔以理论推导出贝尔不等式，认定此误差≤2%，证明爱因斯坦的理论正确。

　　不过随着时代发展，配置逐渐齐全，后人（也即近日斩获诺奖的三人）仍在不断进行贝尔的实验，只是后来的结果却与贝尔不等式相悖。也即是说，前文提到的误差，在后来克劳泽的实验中大到令人难以置信，贝尔不等式也被证明在量子世界中不成立。

　　而由此可推出那场物理界大型论战的结果——爱因斯坦错了，玻尔是对的。

　　但这不是最终结论，因为实验仍在继续，物理学家们想搞清楚误差是怎么出现的。于是在阿斯顿的实验里，他设计了超长的距离。回到之前的类比，他想知道——房间走出来的那对人，其性别是取决于AB的观测方法；还是说人出来时没有性别，是双方联系后才决定各自性别的。

　　也就是想知道，被发射粒子的属性是与生俱来的；还是说粒子出来时不具备属性，而是会相互联系并判断观测者的观测方法，来决定自己呈现什么样的属性。

　　结果令人大吃一惊。第一是粒子出现时不具备属性，携带什么样的属性的确是取决于观测者的观测方法；第二是粒子间的确存在相互联系，而且由于实验中成对的粒子距离足够远，消息的交互早已超过了光速，这点证明了超距作用的存在，也即量子纠缠的确存在。

　　这是一个令不少人三观崩塌的结论。也就是照此逻辑，在量子世界里，各粒子都不自带属性，所谓的“客观存在”也不成立？我们如何观测它，它就如何呈现自己的属性，那量子世界完全由我们的主观构成吗？

　　这点或许得相当专业的人士才能解答。不过笔者还知道一些，关于量子物理在现今和未来有什么用。

　　量子应用多点开花，物联网领域已开始试点

　　就目前的发展来看，量子技术将对物联网产生不少积极影响，包括对计算能力、网络延迟、互操作性、实时分析等功能的优化，同时增加数据存储能力，为云计算提供安全保障。另一方面，在新兴的5G电信基础设施中，量子加密将是提高IoT连接量增速的解决方案。

　　量子物联网还可以提升数据流的可操作性，将来自不同边缘的数据流（从产品线上的装备到消费品中的传感器）结合至AI中，可以有效改变人们工作、生活和娱乐的方式。由于同传统计算机的01编码不同，量子编码的三维复数形式将彻底改变开发环境，但并不影响物联网的定义，反而加速了物联网的覆盖。

　　最重要的是，量子计算出现在物联网领域，即可让所有电子设备均能在互联网上完成寻址。

　　今年年初，量子物理已应用在燃气表上。据悉，国内首批“量子安全智能燃气表”已经在合肥开始试点，开展基于量子安全技术的NB-IoT物联网燃气表的研发和示范应用。目前初定的目标是改造换表20万块，新增物联网表8万块。其中通信技术利用量子密钥加密，可实现保密安全通信，保障燃气用户的数据信息安全。

　　量子燃气表

　　同时，合肥已开通量子城域网。该项目是目前国内规模最大、用户最多、应用最全的量子保密通信城域网；该网络含8个核心节点和159个接入节点，量子密钥分发网络光纤全长1147公里，可为市、区两级党政机关提供量子安全接入服务和数据传输加密服务，提升电子政务安全防护水平。

　　不仅如此，在通信领域，今年五月中国电信发布了业内首款基于量子信息技术的VoLTE加密通话产品――天翼量子高清密话。同时发布了业内首款搭载量子安全通话产品的手机天翼1号2022，该产品采用国产定制手机、量子安全SIM卡和国密算法“三重保护”，为用户提供“管-端-芯”一体化安全防护，带来保密通信创新应用。

　　除此之外，作为新型安全加密工具，后量子密码和量子密钥已受到军事物联网重点关注。后量子密码不能被量子计算机攻破，目前美国已在布局。而量子密钥分发则在欧盟受众更多，其允许在数学上证明安全性的情况下进行安全的加密密钥交换。

　　在物联网行业，大部分技术都最先作用于军事（比如通信类的蓝牙和UWB等），于是也能据此判断未来消费端的趋势。在未来，量子物联网也将成为某个时代的主旋律。

　　结语

　　回到文章开头因果论与随机性的问题上，结合物理学家们的争论不难发现，物理问题早已变成了哲学问题，也因此得不到完美的答案。

　　但通过结论可以确定，我们已无法再用现实世界的标准去看待量子世界。爱因斯坦想通过因果关系理顺量子物理的逻辑，结果量子并不自带属性，无法被定义因果；玻尔想通过承认随机性来理解量子物理，结果量子却不表现出随机，只是随观测方法而变化。

　　随着本次诺贝尔奖颁布，一方面记录了物理学家们的贡献，更是为量子世界打开了新的大门，不难得知，以后还将出现更多刷新我们的世界观的理论出现。

　　另一方面，随着量子逐渐被理解和开发，人们也将更多地接触并运用它，只是在未来，仍有颇多未知和挑战在等待着我们。

　　>End

　　本文转载自“物联传媒”，作者：梧桐，原标题《今年诺奖的量子物理，其应用早已触及IoT》。

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