尼尔斯·玻尔曾经构建了一个几乎一无是处的原子模型,但就是这个模型推动了量子力学革命的到来。阿尔弗雷德·魏格纳在大量的怀疑声中坚称,离心力导致大陆板块沿地球表面移动。他确实观察到了这种现象,却给出了错误的解释。恩里克·费米认为,他制造出了比铀核更重的原子核,而实际上他无意中发现了核裂变。
这些科学家提出了少有人想过的问题,综合考虑了一些很多人未曾考虑过的观点。在这个过程中,他们为今天蓬勃发展量子信息科学打下了重要的基础。他们固然犯了错,但时至今日,我们的世界依然要向他们的错误致谢。
量子力学的鬼魅这一错误的根源可以回溯到量子力学创立初期就开始的一场著名争论:在量子理论的本质和根本意义这一问题上,爱因斯坦和玻尔进行了一系列精彩辩论。根据量子力学的公式,物理学家只能预测各种事件的概率,而不是确定的结果。爱因斯坦则反驳说:“无论如何,我都坚信,上帝是不会掷骰子的。”
几十年后,约翰·贝尔重新思考了爱因斯坦和玻尔曾经争论过的问题。他回顾了爱因斯坦在1935年发表的一个思想实验:在这个实验中,爱因斯坦假定有一个粒子源能够发出成对的量子粒子。当这两个粒子相互远离后,物理学家可以分别测量每个粒子的一些特性。贝尔想知道的是,如果进行了测量,那么两个测量结果会有怎样的关系。
1964年,贝尔发表了一篇非常简短、清晰的论文,他在文章中指出,根据量子力学,当人们进行测量时,在其中一个粒子上的测量结果必定取决于人们在测量向左运动的那个粒子的何种属性。因此,贝尔推断,如果一个理论对实验结果所作的预测与量子力学相同,它一定包含一个信号,或者“一种机制,使得无论两台测量设备相距多远,其中一台测量设备的设置都能影响到另一台测量设备的读数”。
他进一步得出结论:“这个信号必须能即时传输。”这样的长距离关联就是现在我们熟知的“量子纠缠”。
即时信号传输与爱因斯坦的相对论相抵触,因为相对论认为,任何信号的传播速度都不会超过光速。尼克·赫伯特是当时少数注意到贝尔论文的物理学家之一。当时,赫伯特是美国旧金山湾区的一名工业物理学家,同时也是一个古怪的非正式讨论小组的核心成员之一。这个小组叫做“基础务理小组”,绝大多数成员是出身名校的年轻物理学家。
在20世纪70年代中期,赫伯特和朋友们没有工作,有大把的时间。于是,他们每周在伯克利聚会一次,讨论隐藏在现代物理学深处的谜题——很快,他们就被“贝尔定理”和量子纠缠迷住了。小组的另一个成员约翰·克劳泽设计了全世界第一个针对贝尔定理的实验,结果发现关于量子纠缠的诡异预测竟然是准确无误的。
与此同时,整个旧金山湾区正充斥着对奇异现象的狂热兴趣,超感官知觉和预见未来之类的东西大行其道。赫伯特和他的伙伴们开始思考,贝尔定理似乎暗示着遥远物体之间神秘的跨时空关联。
赫伯特主要在思考贝尔所描述的量子粒子间的那种即时信号,他想知道用这样的信号传输信息是否可以超越光速。经过几次失败之后,赫伯特终于在1981年1月完成了他的“FLASH”方案。这个精心设计的激光系统被认为能超光速传输信号。
赫伯特的方案看上去无懈可击,他把这一设想写成文章,投给了一家学术期刊。该期刊的多个审稿人都被他的论述说服了。“我们找不到任何根本性缺陷,”有两位审稿人说。而另一位审稿人亚瑟·佩雷斯则作出了更惊人的举动:他在简报中声明,赫伯特的论文一定是错误的——所以一定要发表。
佩雷斯坚信,虽然自己无法找到漏洞所在,但这个错误一定相当耐人寻味,可能会启发未来的新发现。
三组物理学家仔细审查了赫伯特的论文,他们都发现,赫伯特在计算接收信号的人所测量出的结果时,犯了一个小小的错误。赫伯特假定:在他的装置中,激光放大器能发出大量与初始光子状态相同的光子。但科学家意识到,事实上,激光放大器无法制造出这样的单光子拷贝,只能制造出一系列状态随机而杂乱的光子。
这三组物理学家在研究赫伯特方案的过程中发现,量子力学有一个人们尚未认识到的、很有趣的基本特性:FLASH系统的失败,源于“量子不可克隆定理”,即对于一个未知的量子态而言,无法在不干扰它的情况下复制或克隆它。这一定理使得后来的发明家们再也无法利用量子理论制造超光速电报,从而使量子纠缠与爱因斯坦的相对论和平共处。
换句话说,一对量子粒子确实有着跨越时空的关联,但这样的关联永远不能用来超光速传输信息。
很快,其他一些物理学家意识到,量子不可克隆定理不仅是对赫伯特那篇奇特论文的回应,也为化解量子纠缠和相对论之间的对立奠定了难得的基础。1984年,在量子不可克隆定理的基础上,查尔斯·贝内特和吉尔斯·布拉萨德设计了第一个“量子加密”协议,这是一种全新的阻止潜在窃听者获取数字信号的方法。
贝内特和布拉萨德意识到,量子力学保证了任何人都不可能复制未知的量子态,所以人们可以用纠缠光子来编码秘密信息,用于传输信号。任何人如果想截取传输途中的光子并加以复制,都会立即破坏他试图获取的信号,同时也会暴露自己。
近年来,量子加密已成为全世界量子信息科学研究的前沿课题。奥地利物理学家安东·蔡林格和瑞士物理学家尼古拉斯·基辛等已经做出了量子加密的银行转账和电子投票系统的演示版,可以在现实世界中使用。赫伯特的FLASH计划虽然最终未能成功,但也带来了不错的结果。