中国科学院院士 潘建伟 亲笔作序推荐
光子之舞：爱因斯坦，量子纠缠和量子隐形传态
作者：安东·蔡林格
Anton Zeilinger
定价：69.00元
ISBN： 978-7-5217-5826-9
出版时间：2023.12
作者简介
安东·蔡林格（Anton Zeilinger）
奥地利籍物理学家，现任奥地利科学院院长。2022年获得诺贝尔物理学奖。
他的论文共被引用94000余次，并于2014年进入汤森路透“高引用科学家”榜单。塞林格长期从事量子物理和量子信息研究，是国际上量子物理基础检验和量子信息领域的先驱和重要开拓者。无论是理论还是实验，塞林格在量子物理基础检验方面建立了始创性的功绩。他曾与合作者在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验，实现了无局域性漏洞、无探测效率漏洞的量子力学非定域性检验，提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态（GHZ态），这在量子力学基础检验和量子信息中起着关键作用。基于量子物理的基础检验，塞林格与同事开发出了多光子干涉度量学，进一步把它们广泛用于量子信息处理，具体包括量子密集编码、远距离量子通信、光量子计算等领域。其中，他在1997年首次实现量子隐形传态的工作，被公认为是量子信息实验研究的“开山之作”。从1983年开始，塞林格一直与中国科学院、中国工程院等机构定期交流与合作。通过“墨子号”量子科学实验卫星，塞林格团队以合作形式参与到中国科学院主导的洲际量子通信实验。而且，还在全球第一次使北京-维也纳两地的量子保密通信成为可能，该成果入选了美国物理学会评选的“2018年度国际物理学十大进展”。
内容简介
本书主要介绍了量子物理的前沿成果以及对未来的展望。本书中解释了实验上的突破，这些突破证明了令爱因斯坦困惑的量子理论的 "诡异 "方面。 这本书充满魅力，通俗易懂，可读性比较强。通过物理学中最复杂和最迷人的领域之一描绘出一条生动的道路，解释清晰，既容易理解，又有科学的完整性。
编辑推荐
1.本书作者权威，2022年诺贝尔物理学奖得主
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，必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.内容兼具权威性和通俗性
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，必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，这将是人类第一次开发这种在现存宇宙中没有参照物的技术（不妨假设，大脑的功能最终可以被非量子过程解释）。
这本书的最大贡献在于，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。
在继承和发展了爱因斯坦等前辈物理科学家研究的基础上，提出了量子纠缠的重要特点即隐形传态的理论，回答和解决了爱因斯坦等人对于“鬼魅般超距作用”等未能解答的问题，解开了“量子谜团”。这对于21世纪的量子物理学是一个巨大的进步。本书将会在量子物理的理论研究和社会实践上给读者带来权威的解读和全新的视角。
同时，还邀请潘建伟教授、袁岚峰教授导读，吴从军教授审校。
专家推荐
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，这个物理量是不是必然有一个确定的值，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，这就是经典力学的世界观。 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经典力学的世界观。要深入理解这场世界观革命，这本《光子之舞》值得推荐。 中国科学院科学传播研究中心副主任 袁岚峰
目录
推荐序一 潘建伟 //V
推荐序二 袁岚峰 //XV
序言 别有洞天的多瑙河河底 //XXIII
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 出乎意料的爱丽丝与鲍勃 //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 最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
精彩书摘
推荐序一
潘建伟
这是一本关于量子物理和量子信息的美妙的科普图书，由诺贝尔物理学奖获得者、奥地利维也纳大学的安东·蔡林格
（Anton Zeilinger）教授撰写。作为量子信息领域最顶尖的科学家群体中的一员，蔡林格教授在科学传播上同样是佼佼者，我曾近距离领略过他在这方面的才思。而《光子之舞》这本科 普读物，可让大家对这一点稍做管窥。
蔡林格教授是我留学奥地利时的博士生导师。我在 1996 年加入他的研究小组，实现量子隐形传态是我在蔡林格教授的指导下与同事合作完成的第一个实验工作。1997 年底，这一工作以《实验量子隐形传态》（Experimental Quantum Teleportation）为题刊登在了《自然》杂志上。
这是一个令人惊奇的重要实验，它发表后立即引起了学术界和社会公众的广泛关注。我曾经有过一个难忘的经历，有一次，我在阿尔卑斯山的一个峡谷散步时遇见一位坐在轮椅上的老太太，她说她看过《实验量子隐形传态》那篇论文，虽然尽力了，却还是看不懂。后来在 1999 年，这篇论文同有关发现
X 射线、建立相对论、发现 DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构等影响世界的重大研究成果的论文一起被《自然》杂志选为“百年物理学 21 篇经典论文”。
这一实验工作具有划时代的意义，它不仅被认为是量子信息实验研究的开山之作，对于中国的量子信息发展也有着不寻常的意义：从那时起，国内学术界的主流意见基本停止了对量子信息的质疑，这为这一新兴领域在我国的蓬勃发展打开了局面。
在奥地利期间，我还和蔡林格教授合作完成了一系列量子物理基础和量子信息领域的奠基性实验，包括实现量子纠缠交换、量子纠缠纯化、三光子 GHZ 态 a 的制备及非定域性检验等。
结束了在奥地利的学习和工作后，我回到中国独立开始了量子信息的研究，从蔡林格教授的学生变成了他的同行。我们在不同的国度同时开展量子信息研究，友好地合作和竞争。同时，量子信息这个新兴领域，随着其应用渐现端倪，也越来越受到各界关注。特别是当中国的科学家和工程师团队通过“墨子号”量子科学实验卫星和地面光纤干线将量子通信推进到数千公里的规模之后，全世界都感受到量子信息，特别是量子通信已经开始从人的梦想走向现实。
随着量子信息的蓬勃发展，蔡林格教授和另外两位教授阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·克劳泽（John Clauser）一起获得 2022 年诺贝尔物理学奖。他们的获奖理由是：“利用纠缠光子进行实验，确立对贝尔不等式的违背并开创量子信息科学。”非常巧合的是，这恰恰是该书题目中的三个关键词： 爱因斯坦、光子、量子隐形传态所要告诉我们的故事。
我试着对这个故事的脉络进行了一下梳理。爱因斯坦最广 为人知的成就是提出了相对论，而他对量子力学的建立同样功 不可没。他提出的光量子假说是量子力学的基本概念之一，他也因此—而不是相对论—获得了 1921 年诺贝尔物理学奖。尽管如此，随着量子力学理论基本框架的完成，由于对该框架 并不满意，他还是开始质疑量子力学本身的完备性。
这里我先借用“薛定谔的猫”简要介绍一下量子叠加和量子纠缠的概念。日常生活中，我们知道一只猫只能处于“死”或者“活”两种状态之一。但是按照量子力学，对于微观世界的一只“猫”，如果我们不去“看”这只猫到底是死是活，它 在某些特定条件下就可以处于一种“死”和“活”状态的相干叠加，换句话说，在这种状态下，猫的生死是完全不确定的。这种不确定性是内秉的，并不能随着观测手段的提升而变得确 定，这就是所谓的“上帝掷骰子”。
虽然量子叠加的概念与我们日常生活的经验相比已经非常奇怪，但如果把量子叠加扩展到多体系统，会导致一种更奇怪的现象，那就是量子纠缠。仍然用猫来打比方，在量子世界中的两只猫，甚至可以处于“活活”和“死死”两种状态的相干叠加。在这种状态下的两只猫，尽管每一只猫的生死都是不确定的，但如果我们去“看”其中一只猫并发现它是活的，那么另一只猫会瞬间“坍缩”到“活”的状态，反之亦然，即使这两只猫已经分隔非常遥远。也就是说，这两只猫的生死状态存在完美的关联，就仿佛是“纠缠”在一起一样，这正是量子纠缠一词的由来。
显然，爱因斯坦不满意量子力学竟然可以允许这种奇怪现象的存在，于是他和两位同事在 1935 年发表的一篇著名论文中进行了一番推理：
（1）假设爱丽丝和鲍勃两个人分别去观测这两只猫的生死状态。如果他们观测的时间间隔非常短，以至于宇宙中飞行速度最快的光都来不及在爱丽丝和鲍勃之间对观测结果“通风报信”，那么他们各自的观测结果便是完全独立的，这在物理学上被称为“类空间隔”。
（2）即使是类空间隔，利用量子纠缠观测结果的关联性， 也可以根据爱丽丝的观测结果立即精确预言出鲍勃的观测结果。例如，爱丽丝如果看到她那边的猫是“活”的，她可以立即确 定，鲍勃若去看他那边的猫，那也一定是“活”的，反之亦然。
因此，对于两个完全独立的观测事件，爱丽丝可以精确预 言鲍勃每一次的观测结果，这只能解释为：鲍勃的观测结果即鲍勃那只猫的生死状态，是在被进行观测前就已经确定好的，
根本不是量子力学所描述的那样是“不确定的”。这就是爱因斯坦所坚持的“定域实在性”。
然而，尼尔斯·玻尔等坚持的量子力学认为：
（1）在对猫进行观测前，它们的生死状态是不确定的。
（2）一旦爱丽丝进行了观测，她那只猫的生死状态就被确定，同时鲍勃那只猫的生死状态也确定了，不管这两只猫相距多么遥远。
这就是“量子力学非定域性”。
尽管两种观点完全不同，但都能够解释量子纠缠观测结果的关联现象，因此这一争论暂时只能停留在哲学层面。
一直将近30 年后的1964 年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）提出了贝尔不等式，才提供了通过实验检验这两种观点孰是孰非的可能。简言之，对两个粒子的各种测量结果可以组合出一个不等式，如果“定域实在性”正确，那么这个不等式一定成立；反之，如果违背贝尔不等式，那么爱因斯坦的“定域实在论”就错了。而按照量子力学的预言，从量子纠缠态出发，可以找到某种组合违背贝尔不等式。
接下来就是实验验证了。从 20 世纪 70 年代起，以蔡林格教授等三位诺奖得主为代表的物理学家们开展了大量实验， 越来越严格地验证了对贝尔不等式的违背，从而证明了量子力 学的正确性。
除了在量子物理基础领域的探索外，通过实验验证贝尔不等式被违背，物理学家们发展出了主动精确操纵量子状态的技术，使得人们可以利用量子状态实现对信息的编码、调制、传输和测量，从而催生了一门全新的学科：量子信息。量子信息可以提供原理上无条件安全的通信、超快的并行计算能力，以及超高的测量精度，将为信息科学、物质科学、生命科学，乃至探索宇宙的奥秘带来革命性的突破，现已成为当今物理学发展最前沿的领域之一。当然，可能是限于篇幅，本书对于量子信息并没有太多着墨，但量子隐形传态正是整个量子信息领域的基础，可以说，理解了量子隐形传态，就进入了量子信息领域的大门。
还可以看出，从爱因斯坦提出光量子假说，到爱因斯坦用“光子盒”等各种思想实验与玻尔争论，到制备并操纵光子 的纠缠，再到实现量子隐形传态，从概念到实践，光子在整个 量子力学以及量子信息的发展历程中都扮演着极为重要的角色， 这可能正是该书命名为“光子之舞”的原因。
下面对本书各章节的内容做一简要介绍。
连同序章，《光子之舞》一共有 37 章。序章从奥地利久负盛名的新年音乐会开始，将人们引向多瑙河下的奇妙量子实验。这一章以奥地利的历史文化作为故事背景，引入了一丝凝重，而多瑙河下的污水管道，神秘小屋里的科学装置则营造了些许科技朋克的氛围。
第 1 章到第 7 章，主要介绍了有关光的量子认识和重要的量子力学公理—测不准原理。这几章提供了准确的物理学史实和清晰的物理学发展脉络。例如，准确地指出了爱因斯坦提出光量子假设的灵感来自将辐射熵和气体熵进行的对比。
第7 章有意虚构了一位错误地应用测不准原理为自己辩护的行驶超速司机，从而提示读者去认识如何在微观尺度物理规律与宏观尺度物理规律之间过渡。
第 8 章和第 9 章，从测不准原理对于通过经典手段传输量子信息的限制出发，揭示了量子隐形传态的意义，并提出量子纠缠的关键作用。接着，第 10 章到第 17 章，通过两位虚构人物爱丽丝和鲍勃描述探索完成贝尔不等式违背实验的过程，对于量子纠缠现象和其中蕴含的量子力学非定域性做了生动、准确、深入浅出的讲解。当然，要读懂其中关于贝尔不等式以及隐变量理论等的介绍，也并非完全轻松的事情，但我认为，只要仔细思索，普通读者仍然会有所收获，进而较为准确地理解量子纠缠。
第 18 章讨论了信号传播不可超光速问题，也就是“No-
signaling”原理。以此为出发点，第 19 章到第 20 章，介绍了对于证伪定域实在论来说，贝尔不等式实验还存在的三方面
“漏洞”。这几章的内容对于普通读者来说比较有趣的可能是其中关于“No-signaling”原理的通俗描述，它们能够澄清一些关于量子纠缠超光速的不切实际的想象。
蔡林格教授深知，纵然他的文笔已经足够通俗晓畅，读者理解和接受这些艰深的物理学概念也并非易事。于是，在第21 章，他安排了一场短途旅行。在旅行中，一位年轻的哲学系学生查理与爱丽丝及鲍勃开展了一些哲学层面上的讨论，看来这些讨论很轻松愉快。在旅行结束时，三位学生顺便去了薛定谔的墓葬凭吊。薛定谔和莫扎特同为奥地利人，在这里，蔡林格教授一定在为奥地利在近当代能拥有科学和艺术领域的伟大天才而感到骄傲自豪。作为中国的读者，我们或许会从中感受到一种动力，它督促我们为中国科学和艺术的繁荣而思考和努力。
第 22 章到第 27 章，介绍了量子随机数、纠缠光子、量子信息的起源以及一些关于贝尔不等式违背实验研究的历史和进展。这几章比起前面的章节来说多多少少会有些难懂。尤其是在关于光子全同性在纠缠光子对测量中的作用，以及一些实验细节和假设要求的描述和讨论上，缺乏相关背景的读者可能难以深入理解。但普通读者也不必强求自己理解全部细节，记住一些知识性的结论即可。
第 28 章，读者又被引回到本书一开始那个多瑙河下的量子实验，这一章详细地描述了量子隐形传态实验是如何完成的。如果能够仔细理解前面爱丽丝和鲍勃参与的那个实验。那么这 一章应不会难懂。
第 29 章到第 31 章介绍了更为复杂的一些量子隐形传态实验以及其科学和应用意义，主要包括纠缠交换、延时选择量子隐形传态、连续变量量子隐形传态、量子中继等。如果读者的关注点在应用上，那么可以着重阅读其中关于量子中继的介绍。
第 32 章简单介绍了量子信息技术。
第 33 章展望了量子隐形传态的未来发展。这一章里，最有趣的部分是批判关于量子隐形传态的不切实际的幻想，这也许会让一些读者失望，但科学就是科学。
第 34 章描写了欧洲的星地量子通信计划实施过程中，阿特米斯卫星和地面实现光信号连接的一个瞬间。但是，他们还没有完成星地量子纠缠分发和隐形传态，文中的卫星甚至还没有装上量子纠缠源。而中国的“墨子号”量子科学实验卫星在2017 年就完成了卫星与地面间的量子密钥分发、量子纠缠分发和量子隐形传态三大科学实验任务，可以自豪地说，中国在量子通信领域的确处于国际领先水平。
第 35 章对量子信息技术应用进行了一些展望。第 36 章则从科学哲学的角度对量子隐形传态所隐含的意义进行了讨论。读者们可自行领会，或与作者在思想上暗自交锋。
总之，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。
推荐序二
袁岚峰
我非常高兴和荣幸，向大家介绍当代物理学大师、2022 年诺贝尔物理学奖获得者安东·蔡林格的这本科普著作《光 子之舞》。此书的主要内容是量子隐形传态，它相当于科幻作品中的传送术。其实，量子隐形传态的英文名“quantum teleportation”，直译过来，就是量子传送。所以我们在书中 经常会见到“传送”这个词，也经常见到“隐形传态”这个词， 读者可以明白，它们在英文原文中其实是同一个词。
许多科幻作品都会出现传送术。例如，书中提到的《星际迷航》系列，就是个典型，它甚至造出了一句名言：“把我传上去！”然而如果细想起来，问题就来了：传送是个有科学原理支撑的技术，还是是个纯粹的幻想？如果有科学原理支撑的话，是什么呢？
科幻影视剧中对传送术的描述，往往是先对要传送的物体做一个扫描，在完全了解了它的信息之后，再根据这些信息在
远处重建出这个物体。这看起来很合理，但唯一的问题在于， 在真实世界中，这其实是不可能的。
为什么呢？因为要获得物体的信息，就需要做测量。然而，真实世界遵循的物理规律是量子力学，量子力学中测量的结果一般而言是不确定的，一次测量只能得到多个可能的结果中的某一个。更糟糕的是，测量以后状态就改变了。假如我们有很多个相同的样品，那么可以重复很多次测量，获得概率分布。但我们要传的是独一无二的样品或人，那就不可能重复测量很多次。因此，这个看似一目了然的方法，其实是行不通的。
实际上，传送的问题可以表述为：对于一个未知状态的量 子体系，如何把它的状态传到远处的另一个体系上去？这里的 关键在于状态未知，假如状态已知，就没有任何难度了，那就 变成了一个制备特定状态的问题。但对于未知的状态，我们就没办法在不破坏它的情况下测量它，所以这个问题极其棘手。其实量子力学中有一个“量子态不可克隆定理”，说的就是对 于未知的量子态，不存在可靠的方法将它复制。
乍看起来，这已经宣判了量子传送的不可能性。然而，真正的峰回路转之处在于：我们不可能复制一个未知的量子态，但有可能把它转移到另一个地方！转移的意思就是，把 A 粒 子的状态转移到 B 粒子上，同时 A 粒子的状态发生变化，所 以最终还是只有一个体系具有最初 A 的状态，而不是两个。
1993 年，有六位理论物理学家提出了量子隐形传态的构想。论文的标题很长，叫作《通过双信道（经典以及爱因斯坦—波多尔斯基—罗森信道）远距离传送未知量子态》。这里提到的爱因斯坦—波多尔斯基—罗森信道就是大名鼎鼎的神奇现象—量子纠缠。因为量子纠缠是爱因斯坦和他的这两位助手在 1934 年提出的，所以人们也常把量子纠缠对用这三人的姓氏首字母表示，即将其称为 EPR 对。量子纠缠的效果是，两个粒子各自的测量结果是随机数，但这些随机数之间存在确定的关联，例如总是相同或者总是相反。事实上，蔡林格 2022 年获得诺贝尔物理学奖的主要原因就是，在同年获得该奖的其他两位物理学家（约翰·克劳泽和阿兰·阿斯佩）之后做了证实量子纠缠的实验。
量子隐形传态的理论方案是在 1993 年提出来的，而实验是在 1997 年进行的。该实验正是由蔡林格的研究组首次实现的，这也是他获得诺贝尔物理学奖的原因之一。跟前面的理论文章形成鲜明对比的是，这篇实验文章的标题极其简短，英文只有三个单词，其中文译作《实验量子隐形传态》。特别值得一提的是，潘建伟是此文的第二作者，当时他在蔡林格的组里读博士。
提到量子隐形传态，最容易产生的其实是种种误解。下面我们就来解释一下，它是什么以及不是什么。
首先，它传的是状态，而不是粒子。我们并不是让一个粒子在这里消失，在那里出现，而是让一个粒子的状态出现在远处的粒子上。
然后，它是状态的移动，而不是复制。经常有人以为，这样会得到两个相同的人，于是立刻就产生一大堆伦理问题，比如：哪个是真正的自己？其实根本不会出现这样的问题，因为初始粒子的状态必然会改变。也就是说，它是一种破坏性的传输。
第三，量子隐形传态不是瞬间传输。经常有人以为，量子 隐形传态可以超越光速，推翻相对论，但这是错的。原因在于， 虽然量子纠缠的速度是无穷大的，但量子隐形传态中有个步骤 是通过经典信道传输，爱丽丝要把自己测得的两个比特的信息
（00、01、10 或 11）传给鲍勃，这一环节的最高速度就是光速， 因此整个量子隐形传态的最高速度就是光速。
我们来总结一下，量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个体系的未知状态传输给另一个体系。如果现在 你明白了科幻作品中的传送术不是纯粹的幻想，而是有科学原 理支撑的，你的知识水平就超过了 99% 的人。
不过，我从几年的科普实践中感到，量子隐形传态是个很难科普的话题。因为用日常语言描述这样一个复杂的过程，无论再怎么努力，也还是很容易词不达意。最终的效果就是，只有本来就懂的人才能明白关于它的描述在说什么，本来不懂的人看了以后也还是不懂。我十分怀疑，本书的读者也会产生这样的感觉。
对此我也很难开出什么好的药方，但就我自己的经验而言， 我真正搞懂量子隐形传态是在看了它的精确描述之后，该类描
述用数学符号、专业概念一步步地呈现出它的步骤。这时我的 感觉是，这个过程其实很清晰，很容易理解。尤其是能够明白， 其中最大的妙处是，让第三个粒子的状态变成某种跟第一个粒 子的初始状态有关的组合，而且这个组合总能找到某种方法让 它变成第一个粒子的初始状态，这样就实现了传送。
在我的科普书《量子信息简话》中，就用一部分选读内容介绍了量子隐形传态的具体过程。如果您有兴趣对量子信息获得更多、更系统的了解，欢迎读我这本书。下面，我们就来介绍一下量子隐形传态的步骤，您可以看看是否对后面的阅读有很大帮助。
这里首先要引入一种数学符号，用它可以方便地表示量 子状态。它叫作狄拉克符号，是由英国物理学家、1933 年诺贝尔物理学奖获得者保罗·狄拉克（1902—1984 年）提出的。狄拉克符号就是“|>”，你可以在里面填上任意的数字、字母 甚至一句话，用来表示某种状态。例如，我们经常用 |0> 和
|1> 来表示一个粒子的两个基本状态。
量子隐形传态的基本框架是，它需要用到两个人爱丽丝和鲍勃以及三个粒子 A、B、C。爱丽丝拿着 A 粒子，它处于某个未知状态 a|0> + b|1>，其中 a 和 b 是两个未知的数，我们想把它传到远处去。为此我们引入另外两个粒子 B 和 C，它们处于纠缠态（|00> + |11>）/ √2 ，B 也在爱丽丝手里，而
C 在远处的鲍勃手里。然后我们用某些操作，让 A 和 B 纠缠起来。
然后爱丽丝对 A、B 这个两粒子体系做一次测量，总共有四种可能的结果：00、01、10 和 11。与此同时，C 粒子的状态就会相应地变成 a、b、|0>、|1> 的某种组合：00 对 应a|0> + b|1>，01 对应 a|1> + b|0>，10 对应 a|0> — b|1>，11 对应 a|1> — b|0>。
最后，爱丽丝把自己的测量结果发给鲍勃，鲍勃根据这两个比特的信息对 C 做一个操作，就能让 C 变成 A 最初的状态 a|0> + b|1>，而 A 粒子这时已经变成了 |0> 或 |1>，这就实现了量子隐形传态。而且最奇妙的是，从头到尾我们都不知道 a 和 b 等于多少，但能确信，C 最后的状态就是 A 最初的状态。
以上的流程，如果你不能完全看懂，这是正常的。但如果你能记住用到了三个粒子、对两个粒子做测量、根据测量结果把第三个粒子的状态变成第一个粒子的初始状态，你的知识水平就超过了 99.9% 的人，阅读本书时的许多疑惑也会迎刃而解。
本书还有一个有趣之处，是此后的发展。本书英文版出版于 2010 年，当时潘建伟刚刚回国，在学术界初露头角，不过书里已经多次提到他的贡献。作者可能也没有想到，后来潘建伟研究组实现了很多量子隐形传态新的里程碑，例如多自由度的量子隐形传态（2015 年被英国物理学会评为当年最重要的物理学进展）、从地面到卫星的量子隐形传态（2017 年通过
“墨子号”量子科学实验卫星实现）、跨越 1200 公里的量子隐形传态（2022 年以“墨子号”为中介，在德令哈与丽江两个地面站之间实现）。本书结尾提到的发射量子卫星的设想，也是由中国率先实现的，即“墨子号”。蔡林格研究组跟中国也有广泛的合作，蔡林格在诺贝尔奖颁奖演说中介绍了这些成果。量子科学在中国的蓬勃发展，对全世界科学家都是一大惊喜。
最后，我们需要说明，此书的主要内容是量子隐形传态， 但远远不限于此。它深入探讨了许多量子力学带来的哲学问 题，正文的最后一部分“这一切意味着什么？”就是对此的总 结。量子力学不仅给我们带来许多实用的技术，如激光、半导 体、发光二极管，它对我们的世界观都有很大的冲击。
目前最核心的结论就是，通过“贝尔不等式”的实验可以确认，量子力学不满足“定域实在论”。所谓定域性，就是不 能超光速传递信息。所谓实在性，就是一个物理量在测量之前就有确定的值。定域实在论，就是这两者加起来。乍看起来，这两者都是天经地义的。然而，假如世界真的满足定域实在论，它就会满足一个不等式，叫作贝尔不等式。这个不等式是否成 立，是可以通过实验检验的。按照量子力学的预测，纠缠态就 可以违背贝尔不等式，因此量子力学跟定域实在论构成了尖锐 的冲突。
蔡林格等人用纠缠光子做的实验，正是确认了结果违背贝 尔不等式，所以证明量子力学是正确的，定域实在论是错误的。这对我们的世界观，堪称一场革命。
然而这场革命的意义，我们还远没有完全理解。究竟是定域性不对？还是实在性不对？还是两者都不对？我们还远远不清楚。但科学最大的意义之一就是告诉我们，世界存在这样深邃的问题，它激励我们去探索。
袁岚峰
2023 年 10 月 16 日
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绝伦的华尔兹、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，他们所 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。
最后，音乐会在最后一个返场曲目—有史以来最具活力、最欢快的乐曲之一老约翰·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，其中一条隧道的入口附近，别有一番风景。
我们在一个角落，看到一间玻璃墙小屋。走近一些，我们看到里面有激光灯，还有很多高科技设备，包括现代电子器件和计算机等。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一般概念和身边的陌生环境。
我们了解到，这里的激光器主要是用来产生一种非常特殊的光的。光由被称为光子的粒子组成，而这种特殊的激光器能够产生相互“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。一组光子对，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。在经典物理学（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，鲁珀特将其中一个光子放在了河下面他的小实验室里，而将另一个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，必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，向上进入其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最伟大的电影之一，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·卡拉斯那首用齐特琴演奏的主题曲《哈利· 莱姆》。
又走了一会儿，我们到达了地下之旅的最深处。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“经典”信道。这条信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。这一经典信道有什么用处？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，阿尔卑斯山脉最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，一幕幕的历史场景令我们思绪万千。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在维也纳的。
——来源：中信出版