真随机性与量子非局域性

梁永成

量子非局域性（quantum nonlocality，又称量子非定域性）是量子物理学所给予的众多预测当中最匪夷所思的现象之一。这一现象说明：量子世界所允许的测量结果之间的强关联性是不能够通过我们所熟悉的时空机制来解释的。贝尔（J.s.Bell）这一开创性发现毫无疑问是现代物理学发展的一个重要里程碑。然而，很遗憾的是，时至今日，仍有许多卓越的物理学家都还没能真正领悟到这个发现对于物理学所带来的冲击。

在众多研究这一现象的学者里，基本上没有人比瑞士日内瓦大学的吉桑（N.Gisin）教授更清楚，也更适合去介绍这个物理现象的谜与美。他的新书《跨越时空的骰子：量子通信、量子密码背后的原理》正是他希望借此以浅显易懂，却又生动有趣的文字来引导读者去探索，并了解这一奇特现象的呕心沥血之作。原书（法文版）于2012年发行，并于2014年被翻译成英文和德文，而中文版如今也终于面世，让广大的中文读者可以有机会了解到这一重要物理现象的来龙去脉。

作为一本科普书，吉桑教授选择了一个发生在牛顿身上的小故事来作为他的开场白，让大家明白：其实非局域性这一概念并不是一个现代物理学的新颖产物，而是一个可以追溯到牛顿万有引力定律里头的概念。为了让读者更好地掌握这一概念，吉桑又通过一些深入浅出的例子，譬如所谓的贝尔游戏，和其他虚拟的小故事去阐述量子非局域性的关键点：量子力学所允许的强关联性既不能通过直接的因果关系，也不能通过任何我们所熟悉的时空机制去解释。

从1960年代贝尔那开创性的发现开始，有许多物理学家和哲学家陷入了关于非实在性和非局域性的喋喋不休的争论。而非实在性这一概念却又和非决定性，也即所谓的随机性这一概念息息相关。与其像既有的许多文献里那样对这一争论作繁琐而又达不到启发的分析，吉桑教授选择了在他的书本里通过一系列的例子来反复阐述真随机性的必要性：没有真随机性，量子非局域性将造就超光速通信的可能性！换言之，也真是因为存在着真随机性，量子非局域性才可以和狭义相对论“和平共处”。那是否就意味着，吉桑教授认同了量子世界的非局域性呢？其实也不尽然。

是什么造就了量子非局域性呢？在量子物理学里，对于所谓的量子纠缠态进行可自主选择的测量是显现量子非局域性的必要条件。吉桑教授本身在量子力学这个领域的全方位研究，除了让他可以用更生活化的文字去解释量子纠缠这一现象，也可以让读者感受到物理学家是如何通过真正的实验装置去实现这一抽象概念的，进而完成那些异常复杂却又至关紧要的贝尔实验。

当然，量子世界里的奇异现象并不仅限于非局域性。量子态的不可克隆性，量子隐形传态（quantumteleportation）等在吉桑教授的描述之下都显得特别浅显易懂。因此，本书除了对感兴趣于非局域性的读者来说足一个不可多得的瑰宝之外，对更广大的公众来说也是一个可以让他们在不借助任何复杂数学公式的情况之下认识诸多量子现象的科普书籍。譬如说，仅仅透过超光速通信的不可行，吉桑教授便展示了量子态的不可克隆性！

量子现象的奇特除了让许许多多的物理学家抓破脑袋，百思不得其解，也带来了新一轮的量子革命。其中，真正已经被商业化的两个应用，即量子随机数产生器和量子密钥分发，都跟量子非局域性有着莫大关系。这当中的微妙关系和量子信息领域迂回曲折的发展历程，读者也可以通过吉桑教授的新书一窥究竟。

量子非局域性究竟告诉了我们什么呢？四十余年来，吉桑教授本着物理学家那种打破砂锅问到底的精神，从多个方面想要把量子非局域性这一现象搞清楚，弄明白。毫无疑问，我们现在知道的要比以前多得多，但我们所不知道的，所不明白的依然很多。

在本书的最后三章里，吉桑把他这些年来经过反复思考后得出的结论无私地跟大家分享。当然，这其中包含了一些他的主观看法。但从这里，读者可以清楚地感受到吉桑教授是如何去看待并分析这个严肃的物理问题的，也让读者清楚地认识到求知的历程往往是充满挫折的。

总的来说，对量子现象，尤其是对量子非局域性感興趣的读者将发现，这是一本不可多得的好书。即便对于那些本来就已经对非局域性有一定认识的读者，吉桑的新书也不会让您空手而归，因为他无私地分享了他个人觉得这个研究领域最重要的一些悬而未决的议题，好让每一个人都可以有机会对这一既让人惊喜，却又让人琢磨不透的奇特物理现象做一些思考，甚至有所贡献。