量子信息的百年长征：从爱因斯坦的"幽灵"到"量子优越性"

一场迟到了近百年的"回信"

2025 年 12 月 3 日，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、陈明城团队在《物理评论快报》（PRL）发表一项实验：他们用光镊囚禁一个处于量子基态的铷-87 原子，让它充当一道"可移动的狭缝"，首次忠实地实现了 1927 年爱因斯坦在第五届索尔维会议上向玻尔抛出的著名思想实验——反冲狭缝。这不是一次普通的实验复现，而是对一场持续了近百年的物理学论战，给出了最干净的"实验裁决"。

故事要从更早的 1935 年讲起。那一年，爱因斯坦与波多尔斯基、罗森一起发表了 EPR 佯谬，试图证明量子力学"不完备"。他无法接受两个纠缠粒子在分开后，对其中一个的测量会"瞬间"决定另一个的状态——他给这种关联起了个著名的外号："鬼魅般的超距作用"（spukhafte Fernwirkung）。爱因斯坦的本意是反驳，但历史跟他开了一个玩笑：他用来质疑量子力学的那个最诡异的现象，最终成了量子信息科学的基石。

1927 索尔维：爱因斯坦与玻尔的十年论战

要理解 EPR，得先回到 1927 年 10 月那场被称为"史上最强大脑合影"的第五届索尔维会议。主题是"电子与光子"，台上台下坐着爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克、泡利、德布罗意、洛伦兹、普朗克、居里夫人——现代物理的半壁江山。会上，爱因斯坦不断用思想实验向玻尔的哥本哈根诠释发难，那句广为流传的"上帝不掷骰子"就出自这个语境。

爱因斯坦的攻击分两步：1927 年他质疑不确定性原理与互补性（波粒二象性不能同时精确测量）；1930 年他又抛出"光子盒"思想实验，试图证明能量-时间也能同时确定。玻尔每次都接住了，且往往用爱因斯坦自己的相对论反将一军。1935 年的 EPR，是爱因斯坦退守到"定域实在论"后发动的最后一记重拳——他不再说量子力学"错"，而是说它"不完备"，背后一定藏着尚未发现的隐变量。

EPR 佯谬：用"幽灵"来反驳量子力学

EPR 的核心论证其实很朴素：如果量子力学是"完备"的，那么对一个粒子的测量"瞬间"影响远处的另一个粒子，就意味着存在某种超距作用——这与相对论"信息传递不能超光速"冲突。因此，量子力学一定漏掉了什么：那两个粒子在分开之前，就携带着某些"实在的元素"（hidden variables），测量只是把这些预先存在的值"读出来"而已。爱因斯坦称之为"定域实在论"。

这里有个关键但常被忽略的转折：EPR 原文用的是"位置-动量"对，论证很绕；真正让后世能拿来做实验的，是 1951 年戴维·玻姆把它改写成更干净的自旋版本——一对总自旋为零的粒子，沿任意方向测量，一个朝上，另一个必朝下。正是这个"玻姆版 EPR"，成了贝尔定理和所有贝尔实验的蓝本。换句话说，今天我们说"量子纠缠"，用的其实是玻姆的语言，不是爱因斯坦 1935 年的原版。

图1：量子纠缠的直觉图像——两个粒子像一个硬币的两面，分开后测量一端即知另一端

约翰·贝尔：把哲学辩论变成可以输赢的实验

爱因斯坦那一代人争论的，是"定域实在论"该不该成立。但"实在论"听起来更像哲学，而非物理。转机出现在 1964 年：在北爱尔兰出生、长期在 CERN 工作的物理学家约翰·贝尔证明了贝尔定理——如果世界真的满足"定域隐变量"假设，那么对大量纠缠粒子做不同方向的测量，结果之间的关联强度会被一个明确的不等式锁死；而量子力学的预言会"越界"。这就把玄学变成了可以用计数器裁决的实验。

具体来说，实验里 Alice 和 Bob 各自随机选一个测量方向（记为 a、a′ 与 b、b′，相当于给偏振片选一个角度），记录大量光子的测量结果，再算出一个关联量 S。贝尔不等式（后来最常用的是 1969 年克劳泽、霍恩、希莫尼、霍尔特提出的 CHSH 形式）给出经典上界与量子上界之差：

也就是说，只要实验测到 |S| 超过 2，爱因斯坦所信仰的那种"定域隐变量"世界就被排除了。所有精密实验都测到了超过 2、逼近 2√2 的值——而且不是险胜，是干净利落地踩在量子力学的预言线上。

贝尔实验五十年：为什么我们等了这么久

一个常被"有点了解的人"忽略的点是：贝尔 1964 年就给出了判据，可人类直到 2015 年才做成"无漏洞"的贝尔实验，2022 年才因此拿诺奖。原因在于，要在真实实验里"干净地"违反贝尔不等式，必须同时堵住三大漏洞：

① 探测漏洞（detection loophole）：如果探测器效率低，实验者只挑"恰好测到的光子"算，就可能人为制造出违反。早期用原子级联光子的实验效率仅百分之几，必须靠"fair-sampling"假设补洞。
② 定域性漏洞（locality loophole）：Alice 和 Bob 的测量设置必须在光子飞行途中才随机决定，且两地距离要远大于光在测量时间内走的距离，否则双方可能"暗通款曲"。1982 年阿斯佩用声光开关快速切换测量方向，正是为堵这个洞。
③ 自由选择漏洞（freedom-of-choice loophole）：测量方向的随机源本身不能与隐变量相关。后来的实验甚至用星光、随机数发生器来选设置。

时间线：1972 年克劳泽与弗里德曼用钙原子级联光子做了首个 CHSH 检验，结果站在量子力学一边（但探测效率低）；1982 年阿兰·阿斯佩用快速切换 analyzer 改进；1998 年蔡林格组在长基线、快速随机设置下重做；直到 2015 年，三篇"无漏洞"贝尔实验（代尔夫特钻石色心、以及 Giustina、Shalm 两组）几乎同时发表，才把三个主漏洞一次性堵死。2022 年，阿斯佩、克劳泽、蔡林格共获诺贝尔物理学奖，"表彰他们用纠缠光子做贝尔不等式实验、开创了量子信息科学"。

从"测不准"到"算得动"：量子计算的诞生

纠缠只是故事的一半。另一半是：既然量子系统能处于叠加、能纠缠，能不能用它来计算？1981 年，费曼在演讲《用计算机模拟物理》里点破：经典计算机模拟量子系统是指数级灾难，"Nature isn't classical, dammit"——自然不是经典的，想要模拟自然，计算机自己就得是量子的。1985 年，戴维·多伊奇给出"通用量子计算机"的数学定义。1994 年，肖尔提出 Shor 算法——能在多项式时间内分解大整数，直接威胁 RSA 加密；1996 年格罗弗提出平方加速的搜索算法。量子计算从一个比喻，变成了工程目标。

这里有个关键直觉，很多人"知道一点"却没真正想通：n 个量子比特能同时表示 2ⁿ 种状态的叠加，听起来像白捡了指数级并行——但测量会瞬间坍缩成一个结果，你并不能直接"读出"那 2ⁿ 个答案。量子算法的精妙正在于此：它让错误的路径通过干涉相消、正确的路径干涉相长（肖尔算法用量子傅里叶变换做这件事），从而把想要的答案"放大"出来。所以量子计算不是"什么都快"，而是只对特定结构的问题（因子分解、量子模拟、搜索）有优势。

图2：一个量子比特可以同时"是 0 又是 1"，n 个量子比特即可表示 2ⁿ 种状态的叠加

一个量子比特到底是什么（物理上）

"量子比特"不是抽象概念，而是真实的物理装置。目前主流有五大物理载体，各有取舍：

① 超导电路（IBM、谷歌）：用超导金属做出"非简谐振子"，叫 transmon，靠微波脉冲做门操作，必须泡在稀释制冷机里降到约 10 毫开尔文（比太空还冷）。优点是门速度快、易集成；缺点是相干时间短。
② 离子阱（NIST、IonQ）：用电磁场悬浮单个带电原子（离子），用它的内部超精细能级做量子比特，用激光做门。相干时间最长、保真度最高；缺点是规模化难。
③ 光量子（中科大"九章"）：用单个光子本身做量子比特，线性光学元件做干涉，做"玻色采样"这类特定任务。室温运行、不易退相干；难点在于确定性地产生和探测单光子。
④ 中性原子（光镊阵列）：用激光镊子排布二维原子阵列，靠里德伯相互作用做纠缠，是近两年扩比例尺最快的平台。
⑤ 半导体量子点 / 自旋：把单个电子的自旋囚禁在硅里，有望像做芯片一样大规模制造。

"量子优越性"：谷歌与中国队的赛跑

2019 年，谷歌用 53 个超导量子比特的处理器"悬铃木"（Sycamore）做随机线路采样，宣称用约 200 秒完成了一项当时最强超算需一万年的任务，第一次喊出"量子优越性"。此后进入中美"量子赛道"的竞速：

2020 年中国科大"九章"以 76 个光子在光量子路线上实现优越性（200 秒完成超算约 6 亿年的任务），使中国成为第二个达成的国家；2021 年"祖冲之二号"达到 66 个超导量子比特；2024 年 12 月"祖冲之三号"登上 105 个量子比特，与谷歌同月发布的"Willow"（也是 105 比特）旗鼓相当。值得注意的是，谷歌 Willow 同时展示了误差随码距增大而下降的纠错能力——这比单纯"比特数"更关键。

需要诚实地说："量子优越性"不等于"量子计算机全面超越经典"。它针对的是人为设计的、对经典困难但对量子容易的特定任务；而且经典模拟算法也在进步（IBM 当年就指出谷歌那道题经典约 2.5 天也能做）。它的真正意义是：第一次在可控实验里，让人"看见"量子并行确实能压过经典。里程碑，不是终点。

NISQ 与纠错：从物理比特到逻辑比特

今天量子计算机整体仍处于 NISQ 阶段——比特数量有限、容易出错。一个物理量子比特每次门操作就有约千分之一的出错概率，做几十步就废了。真正的拐点在于量子纠错：把多个易错的物理量子比特"编织"成一个稳定的逻辑量子比特。

背后的阈值定理（threshold theorem）是说：只要单个物理比特的错误率低于某个阈值（约 1% 量级），就可以通过增加冗余，让逻辑比特的错误率指数级下降。最主流的方案是表面码（surface code）：用几十到上千个物理比特保护 1 个逻辑比特。2023 年谷歌首次演示"低于阈值"——逻辑比特的错误率随码距增大而降低；这一步被视为从 NISQ 走向容错量子计算的分水岭。2024–2025 年，多个团队报告逻辑比特的错误率已低于其组成的物理比特，纠错第一次"真起作用了"。

图3：从爱因斯坦的质疑到可编程、可纠错的量子计算机，一场近百年长征

回到 1927：反冲狭缝的百年回响

把镜头拉回开头那项 2025 年的实验。在双缝干涉里，爱因斯坦设想让单个光子穿过一道可移动的狭缝：若能测出光子给狭缝的极微弱反冲动量，就知道光子走了哪条路（粒子性）；而只要狭缝位置足够精确，干涉条纹（波动性）似乎仍可保留。这就直指量子力学最深的悖论——我们能否同时拿到波与粒子的完整信息？

中科大团队用光镊囚禁的基态单原子当作这道"最灵敏的狭缝"：原子的动量不确定度被冷却到与单个光子动量相当。实验清晰地显示，随着对原子空间限制增强，光子与原子之间的纠缠度下降、光子干涉对比度反而提高——也就是说，任何试图获取"路径信息"的测量，都会不可逆地破坏波动性。爱因斯坦设想的"既要又要"，在量子世界里无法实现。更重要的是，团队还主动调控原子，第一次肉眼可见地展示了系统从量子到经典的连续过渡，并在海森堡极限下验证了互补性原理。

结语：长征未完，但方向已明

从 1935 年爱因斯坦写下的那个"佯谬"，到 2025 年中国实验室里那道会反冲的"原子狭缝"，量子信息走完了一场近百年长征：它把一位最伟大物理学家的怀疑，变成了可计算、可编程、可纠错、甚至可商用的技术。NISQ 之后是容错，容错之后是通用——这条路还长，但爱因斯坦的"幽灵"早已不是幽灵，而是我们手里正在编织的新工具。

读后你应该记住的 5 件事

如果你已经"懂一点量子"，这五条能让你比读完前更有底气：

1. 纠缠不是超光速通信。 纠缠关联是"预先存在"的，任何一侧的测量结果都是随机的，无法用来传递信息（no-signaling 定理）。EPR 想用它反驳量子力学，恰恰因为它"不能传信"，才长久成谜。

2. 贝尔实验关闭了三大漏洞才拿诺奖。 探测漏洞、定域性漏洞、自由选择漏洞——任何一个没堵死，隐变量论就还有退路。2015 年三篇"无漏洞"实验一次性堵死，2022 年诺奖才落袋。

3. 量子比特有五种真实物理载体。 超导电路、离子阱、光量子、中性原子、半导体自旋——没有"唯一正确"路线，今天仍在中场竞速。

4. "量子优越性"≠全面超越经典。 它只在特定任务上成立，且经典模拟在追。真正改变游戏的是量子纠错低于阈值——逻辑比特错误率随规模下降，这才是容错时代的门票。

5. 爱因斯坦用"幽灵"质疑，却成了量子信息的基石。 他越想证明量子力学不完备，越把纠缠、互补性这些概念推到舞台中央。物理学史上最漂亮的"反向助攻"。

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参考来源

• 中国科学技术大学新闻网：我国科学家取得量子研究新进展 终结爱因斯坦与玻尔世纪之辩（2025-12-03，PRL）— https://news.ustc.edu.cn/info/1056/93376.htm
• 中国科学院：科学家利用单原子实现反冲狭缝思想实验 — https://www.cas.ac.cn/syky/202512/t20251204_5091476.shtml
• 科技日报：量子赛道跑出"中国速度" — https://www.cas.cn/zt/kjzt/2024kjpd/bdpd/202501/t20250116_5045191.shtml
• 科技日报：超越传统超算！我国超导量子计算机"祖冲之三号"惊艳亮相（2024-12-17）— https://www.stdaily.com/web/gdxw/2024-12/18/content_275260.html
• 诺贝尔物理学奖 2022 官方资料：Aspect、Clauser、Zeilinger 与纠缠光子实验 — https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/
• Wikimedia Commons 图片来源（均已自由授权）：Solvay 1927（Benjamin Couprie，公有领域）、John Bell（CERN，CC BY 4.0）、IBM Q System One（IBM Research，CC BY 2.0）、NIST 离子阱与单光子探测器（NIST，公有领域）