光子之舞 爱因斯坦 量子纠缠和量子隐形传态 安东蔡林格著 2022年诺贝尔物理学奖得主 安东蔡林格 作品 中信出版社图

1. 本书作者威，2022年诺贝尔物理学奖得主
帮助读者从全新的视角理解量子物理。
作者是维也纳大学物理学家，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所主任。作者指出如果上帝只是可能存在，那么我们的信仰将完全成为空壳，任何宗教行为都将成为完全的投机主义。而引入特定的装置，然意味着量子干涉现象的消失，因为装置无法避免地会干扰到现象的产生。我们将会进入一个全新的世界，信息将变得更具基础性。
2. 内容兼具威性和通俗性
信息的概念或我们所认定的信息的概念在社会中正变得越来越重要，这一点让人印象深刻。
作者在文中从量子物理的角度切入，引入一些现实问题和实验，引发读者的兴趣点。从量子物理学中我们了解到，想要回答这类问题，我们需要做一个实验以确定粒子究竟是从缝A还是缝B通过。但是要做这个实验，我们也知道需要大幅度地修改双缝试验本身。要回答这个问题，就意味着我们要引入特定的装置。而引入特定的装置，然意味着量子干涉现象的消失，因为装置无法避免地会干扰到现象的产生。
3. 引发行业和读者对未来的展望
当今时代，我们正忙于发展远距离量子传播。使用量子通信连接，我们可以将未来的量子电脑连接起来，相对于现在的电脑，量子电脑将达到一个全新的复杂程度。作者在文中指出，这将是人类一次开发这种在现存宇宙中没有参照物的技术（不妨假设，大脑的功能终可以被非量子过程解释）。
这本书的大贡献在于，提出了隐形传态的重要理论，解决了量子物理学的难题量子纠缠，为量子力学的发展实现了重大理论突破。
在本书中，读者将穿越群星璀璨的物理学史，感受伟大头脑的求知激情，体会量子力学反直觉、反日常经验的有趣特质，了解量子力学的广泛适用性和革新技术的无垠潜力，展开对意识和现实世界关系的薛定谔的猫、凭空出现和消失的电子、幽灵般的超距作用。这些抽象的概念很容易让人认为，量子力学离自己的生活很远。但实际上，量子力学不仅是计算机、智能手机和医学成像设备等许多现代技术的基础，还带来了化学、生物学等领域的全新发现。量子力学与典物理学的交锋及其引发的哲学认识论问题，则更是令无数人流连忘返。
本书的作者是诺贝尔物理学奖得主、量子信息科学先驱安东·蔡林格，书中回溯了量子力学的诞生和发展史，覆盖了从爱因斯坦和普朗克的早期理论到近年来量子隐形传送前沿研究各个阶段。塞林格用扣人心弦的科研叙事，串起物理学史上一个个惊人的发现，将深奥的量子力学理论清晰易懂地呈现在读者眼前。书中不仅讲解了量子力学领域标志性的典概念，包括波粒二象性、量子纠缠、海森堡不确定性原理等，而且细致探讨了量子力学中一些突破性的新实验，例如纠缠粒子的产生和量子信息的成功传送，并解释了这些实验是如何为量子计算和量子密码学等充满想象力的崭新技术铺平道路的。
目 录
序言 别有洞天的多瑙河河底 //V
1 太空旅行 //001
2 光是什么 //003
3 牧羊犬与爱因斯坦的光粒子说 //009
4 爱因斯坦与他的诺贝尔奖 //018
5 矛盾 //020
6 确实存在的不确定性 //022
7 量子不确定性：是我们无知，还是原本如此？ //026
8 反对隐形传态的量子判决 //036
9 量子纠缠力挽狂澜 //040
10 爱丽丝与鲍勃在量子实验室 //054
11 光的偏振：匡廷格教授的一次讲座 //066
12 爱丽丝和鲍勃发现了双生粒子 //088
13 约翰论爱因斯坦、波多尔斯基和罗森 //105
14 约翰论定域隐变量 //136
15 爱丽丝和鲍勃实验扑朔迷离的结果 //142
16 约翰·贝尔的故事 //148
17 出乎意料的爱丽斯与鲍勃 //158
18 超越光速，穿越回过去？ //163
19 爱丽丝、鲍勃和光速极限 //168
20 漏洞 //177
21 蒂罗尔山上 //184
22 量子博彩 //200
23 双光子量子博彩 //208
24 量子货币—宣告假币覆灭 //220
25 量子卡车的超载运输 //228
26 纠缠原子发射源及早期的实验 //235
27 超级发射源与通信漏洞封堵 //240
28 多瑙河岸的量子隐形传态 //244
29 多光子奇迹及量子隐形传态 //256
30 纠缠的隐形传态 //264
31 进一步的实验 //279
32 量子信息技术 //286
33 量子隐形传态的未来 //291
34 特内里费岛上空的信号 //298
35 新进展以及若干开放性问题 //304
36 这一切意味着什么？ //312
附录  人人都能读懂的纠缠—一个量子谜团 //319
术语表 //341
安东·蔡林格，著，2022年诺贝尔物理学奖得主
维也纳大学物理学教授
奥地利科学院量子光学和量子信息研究所负责人
量子物理基础检验和量子信息领域的先驱和重要开拓者
在我看来，蔡林格教授的这本书，专业而浪漫，严谨又风趣。它不仅仅是非量子信息专业的读者了解该领域基本概念、理论和实验成果的一个窗口，对于我国的科普工作者来说，在写作方法上也有值得借鉴学习之处。我愿读者们能够仔细地体会这本书中的妙处。 中国科学院院士
中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长
中国科学技术大学常务副校长
潘建伟
在你测量一个物理量之前，这个物理量是不是然有一个确定的值，等着你去测？乍听起来，这根本不能成为一个问题，这不是理所当然的吗？！实际上，这就是典力学的世界观。 然而，量子力学预言，有些物理体系的有些性质在被测量之前并没有确定的值，我们所测得的值是在测量一瞬间随机产生的。本书作者蔡林格教授获得2022年诺贝尔物理学奖的原因，正是通过实验否定了典力学的世界观。要深入理解这场世界观革命，这本《光子之舞》值得荐。
中国科学院科学传播研究中心副主任
袁岚峰

序 言
别有洞天的多瑙河河底
每到 1 月 1 日，维也纳爱乐乐团新年音乐会都会用乐声迎来新的一年。这一盛会在传统的维也纳音乐协会金色大厅举行， 吸引着全世界数亿人。他们渴望欣赏施特劳斯家族及其同时代 音乐巨匠们美妙伦的华尔兹、波尔卡等风格的乐曲以及一些 序曲。随着演奏落幕，观众席上掌声四起。然而，他们有人 都在期待着返场节目。旋即，如他们所愿，几缕低沉的乐曲声 自琴弦间升起，掌声再次雷动。随后，乐曲声停止，乐团指挥 向现场及全世界听众致新年贺词。其间，乐曲声再次响起，乐团演奏小约翰·施特劳斯著名的圆舞曲《蓝色多瑙河》。此曲 兼容并蓄地表达了人类的喜悦和忧伤，在存世的乐曲中凤毛麟 角。它当年为维也纳皇家和宫廷舞厅的盛大舞会而创，至今历 久而弥新。因此，人们常将此曲视为奥地利的“第二国歌”。
然而，现场听众和电视机前的观众却并不知道，在距离金色大厅不远的维也纳市区里，一项现代尖端科技实验正在进行
之中。这项实验用科幻小说般的奇思妙想引发我们对宇宙苍生的遐想，挑战着人类的想象力。
后，音乐会在后一个返场曲目—有史以来具活力、欢快十足的老约翰·施特劳斯的《拉德茨基进行曲》的演奏声 中结束。我们离开音乐厅，驱车驶向多瑙河。此时正值元旦假 期，美丽动人的维也纳冬日里人流稀少。多瑙河分两条支流穿 过维也纳城，两者中间形成一座长长的岛。我们从一座桥跨过 其中一条支流，进入岛区。我们车上的 GPS（全球定位系统） 并没有显示这座桥，这座岛也不向公众开放，除非你有公务 在身。
我们驶向了岛上隐身于几棵大树后面的一座大楼。这是维也纳污水系统泵站的所在地。一条巨大的污水管道穿过河底，连接河的两岸。这条污水管道用于将河东侧（维也纳人将这一 侧的维也纳城贴心地称为“多瑙河对岸之地”）收集的全部污 水输送至河另一侧的一座大型废水处理厂。有了这些，重视环 保的维也纳人便不会担心污水被直接排入多瑙河。
我们进入大楼，乘电梯下行两层，来到了河下面。步行一 小段路之后，我们遇到了两条分别通往河左右两岸的宽敞隧道。巨大的隧道里面，输送污水的管道和许多电缆平行穿过。隐约 之间，我们发现，在其中一条隧道的入口附近处，那里别有一 番风景。
我们在一个角落处，看到一间玻璃墙小屋。走近一些，我们看到里面有激光灯，很多高科技设备，包括现代电子设备和

几台计算机等。在那里，我们遇到了鲁珀特。他告诉我们，他 是维也纳大学的一名学生，正在写博士论文。他希望尽快完成 论文，以便获得博士学位。他论文的题目是“远距离量子隐形传态”。我们请鲁珀特简单解释一下眼前的情况。他告诉我们，这个实验的目的是将一个光粒子（光子）从河岸的多瑙河岛一 侧远距离传送至岛对岸一侧。
看出我们不太理解，他又微笑着向我们解释说，隐形传态有点像科幻小说中的“光传送术”，但又不完全是。尽管我们没太听懂，但我们却越发听得入迷。他答应稍后会给我们一个更详细的解释。此刻，我们只想大致了解一些术语，熟悉一下有关当前研究的概念名词和身边的陌生环境。
我们了解到，这里的激光主要是用来产生一种非常特殊的光。光由被称为光子的粒子组成，而这种特殊的激光能够产生相互“纠缠”的特殊光子对。这里的纠缠指的是两个光子彼此紧密联系，我们将在本书后文中做详细介绍。光子对中当其中一个光子被测量时，另一个光子的状态便同时受影响，不管二者相距多远。
“纠缠”这一概念由奥地利物理学家埃尔温· 薛定谔在
1935 年提出，其意在描述一种耐人寻味的状况。此前不久， 阿尔伯特·爱因斯坦在与其年轻的同事鲍里斯·波多尔斯基以 及纳森·罗森共同发表的一篇论文中指出，量子力学中出现了 一个意义重大的新情况。
为了让读者了解什么是纠缠，我们来思考一下相互作用的

两个粒子。比方说，这两个粒子像两个台球一样相撞，然后便会各自分开。在典物理学（也就是传统物理学）中，如果一个台球向右移动，另一个就向左移动。此外，如果我们知 道“撞击球”的撞击速度以及它撞击“静止球”的方式，并且 我们还知道“静止球”移动的速度和方向，我们便可以精确计 算出“撞击球”的去向。这正是一个优秀的台球手所要考虑的，他手握球杆时，早已准确计算好了击球方式。
然而，量子“台球”却远非如此。在互相撞击之后，它们 同样会远离彼此，但却有趣和奇怪得多。每个“台球”既没有确定的速度，也没有明确的移动方向。实际上，在撞击之后， 它们仅仅是远离了彼此。
问题的关键在于：每当我们开始观察其中一个量子“台球”，它便会瞬间以一定的速度和移动方向远离碰撞点。与此 同时，另一个量子“台球”也具有了相应的速度和方向。并且， 不管两个球相距多远，这一现象都会发生。
因此，两个量子“台球”之间处于纠缠态。当然，这一现 象尚没有被发现存在于现实中的台球世界，但对于基本粒子世 界，却是常态。两个相撞的粒子仍在远程亲密呼应。如果对其中一个粒子进行“观察”，那么另一个粒子会瞬间受到影响，不管它距离被观察粒子有多远。
对此奇特现象，爱因斯坦并不以为然，称其为“鬼魅般的超距作用”。他希望物理学家们能够找到一种消除这一鬼魅现象的方法。与爱因斯坦不同，薛定谔接受了这一全新现象的存在，并赋之以“纠缠”这一新词。纠缠是存在于量子世界的特别现象，它试图迫使我们抛弃难以释怀的现实世界观。
我们不禁向鲁珀特问起了量子纠缠实验的目的。他笑着回答说：“天机不可泄露。”对于一对光子，鲁珀特将其中一个放在了河下面他的小实验室里，而将另一个光子沿着一条光纤发送到河对岸的一个接收器那里。
交谈中，鲁珀特不断提到“爱丽丝”和“鲍勃”这两个人 名。爱丽丝和鲍勃相互之间发送光子，并且互相交谈，就像两个人一样。可以假想，他们是实验者，爱丽丝坐在实验室里， 鲍勃则隔河相望。
我们问鲁珀特，他为什么将实验者命名为爱丽丝和鲍勃。他说这不是他的发明，这两个名字来自密码学领域。在密码学 领域中，须确保两个人之间的信息不被未经授权的第三方读 取或听取。我们立刻联想到了扣人心弦的谍战大片。然而鲁珀 特却平静地解释说，密码学如今已被广泛应用，即使你登录网 站，输入诸如银行卡号等信息，这些信息通常也会被加密，因此外人不可能读取到它们。他继续说：“起初，人们称信息发 送者为 A，接收者为 B。后来，有人觉得称呼 A、B 为‘爱丽 丝’和‘鲍勃’更朗朗上口。”
然后，鲁珀特让我们看了看鲍勃的光子进入的那条纤细的光纤，它看上去与目前广为使用的远程通信光纤并无二致。
我们的目光随着鲁珀特的激光，顺着光缆穿过小实验室的玻璃墙，向上进入与其他光缆的交会处，然后穿行入多瑙河下的大型隧道。鲁珀特盯着我们的目光所向，问道：“想看看它去了哪里吗？”我们殷切地点了点头。就这样，我们开始了维也纳的地下之旅。
首先，我们进入了一段直径约 4 米的向下铺设的陡峭管道。我们下面还有两条直径约 1 米的污水管道。这两条管道密封良好，因此，除了闻出空气中弥漫着一点奇怪的味道，我们并没有感到其他不适。尽管空间不是很宽敞，我们倒也能抬头挺胸地行进。我们的左右两边是电缆桥架，那条纤细的光纤就穿行在上面。有人感慨道：“这简直像极了电影
《第三人》。”这部电影是有史以来伟大的电影之一，描写的就是二战之后发生在维也纳的故事。电影中一些脍炙人口的追击场景，就发生在这座城市的地下污水系统。我们不禁觉得马上就要与奥逊·威尔斯在地下某个角落不期而遇，耳边也似乎响起了安东·卡拉斯的那首齐特琴主题曲《哈利· 莱姆》。
又走了一会儿，我们到达了地下之旅的深处。鲁珀特告诉我们，我们的正上方就是多瑙河。我们不禁假想，此刻如若河底崩裂，河水汹涌下泻，我们走投无路，那该是怎样一幅景象。幸运的是，一切安好。我们继续小步疾行。慢慢地，道路开始向上延伸。又过了一会儿，我们走进一间小屋子。向外展望，我们发现，我们不仅已从地下穿过了河底，而且还穿过了河附近的一个小公园、一条铁路和一条主干路。
在这间小屋子里，光纤脱出了它的塑料外壳，伸进一套与岛上设备类似但又规模小很多的设备里。同样，这里设有一台计算机，还有一些诸如反射镜、棱镜之类的光学器材以及许多电子设备。鲁珀特解释说，要在这里对被传送的光子进行测量，特别是要证实其性质和特点是否发生了变化。在通向一张小桌子的几条电缆中，我们看到有一条向上延伸，直至我们所在大楼的顶部。鲁珀特自豪地告诉我们，这便是连接爱丽丝和鲍勃的“典”通道。这条通道构成了两个实验者的标准无线电连接。此刻，我们有点摸不着头脑。这一典信道有什么用处？鲁珀特口中的纠缠光子到底是什么？隐形传态又是什么？
为了弄懂这些疑问，我们爬上了房顶，顿时眼前一片开阔。河对岸就是爱丽丝所在的大楼，两座大楼之间河流湍急。河面 上，船只来来往往，不疾不徐，几只鸭子和天鹅正悠闲地戏水。回首河岸这边，我们看到，紧挨着我们所在的大楼，有一座维 也纳佛教团体建的小型佛塔。顷刻间，我们的脑海里弥漫起了 无尽的哲学疑问：这一切都是为了什么？我身在宇宙，应有何 为？我在看世界，世界是否也在盯着我？让人欲罢不能的量子 物理学，与这万物苍生究竟又有何渊源？
放眼西望，阿尔卑斯山脉东端丘陵地区的维也纳森林尽收眼底；转眼向东，则是匈牙利大平原的边缘。此刻，一幕幕的历史画面令我们思绪万千。历史上，来自东方的土耳其人两次试图征服维也纳未果。难以想象，维也纳一旦被征服，历史将会如何被改写。同时，我们也在想，我们所要探索的那些事关生死存亡的深刻问题会如何依赖于我们的佛教、伊斯兰教和基督教文化。渐渐地，寒意隐隐袭来，我们又把思绪缓缓拉回到维也纳的现实生活。