【科學史沙龍】量子糾纏的故事：從惡夢到美夢

■愛因斯坦與波耳這兩位諾貝爾獎得主，在 1930 年代針對「量子糾纏」這個怪象的論戰，使得這個領域有二三十年的時間，無法建構起一個系統化的研究框架。直到 1960 年代貝爾提出不等式定理，並且獲得實驗證明之後，量子力學才總算撥雲見日，在物理學各個重要領域裡大開大展。本講次為聽眾整理這段量子力學發展的坎坷之路，並點出科學研究突破瓶頸的關鍵所在。

講者｜臺師大物理學系 林豐利教授
撰文｜高英哲

量子糾纏的相關爭論，可以追溯到湯瑪斯．楊 (Thomas Young) 的雙狹縫干涉實驗；用現代的馬赫-曾德爾干涉儀 (Mach-Zehnder interferometer) ，也會做出相同的結果。這個實驗的意涵是，你若把光看成是一種波，它在通過兩條狹縫時會相互干涉，在探測屏上顯現出亮紋跟暗紋；倘若把光看成是一種粒子，它只能在兩條狹縫裡選擇一條行進。理論上光子各走各的，關閉其中一條狹縫，應該不會影響到走另一條狹縫的光子；然而實驗結果卻並非如此，當兩條狹縫都開放時，探測屏上仍然會出現亮紋跟暗紋。波耳領導的哥本哈根學派，接受光子具有如此怪異的量子特質，稱之為「波粒二象性」 (wave-particle duality) 。

愛因斯坦並不接受這個有點滑頭，「它有時像波，有時像粒子」的說法，他在 1935 年發表了大名鼎鼎的 EPR 悖論 (Einstein-Podolsky-Rosen paradox) ，駁斥量子怪象這套說法。愛因斯坦認為即使不用到量子力學，也能解釋不為人知的隱藏變數，控制機率分佈的現象；因此量子力學雖然稱不上錯誤，但是完備性卻令人質疑。有趣的是這篇論文只有短短四頁，但是林豐利老師每次拜讀都看不懂，直到有一天才恍然大悟：那是因為愛因斯坦雖然質疑量子力學，但他卻用量子力學的語言進行推論，對於量子力學內容已經很熟悉的讀者，很自然地會順著量子力學的邏輯，試圖理解這篇論文；到最後愛因斯坦推翻量子力學的論述時，讀者就會突然搞不懂他在說什麼。

EPR 悖論所說的，就是後來被薛丁格稱之為「量子糾纏」，兩個粒子的量子態「無法分離」的現象。然而 EPR 悖論的主張卻必須用到一個在哲學上模擬兩可，聽起來比波粒二象性還要來得奇怪的「定域實在論」 (local realism) ，再加上以當時的技術，還無法操縱少數幾個量子，根本無法進行實驗，因此除了戴維．玻姆 (David Bohm) 等少數幾位物理學家以外，當時的主流物理學界，可以說沒有人認真看待量子糾纏這套理論。

這個技術瓶頸要直到 1964 年，篤信局部隱藏變數理論 (LHV) 的約翰．貝爾 (John Bell) ，提出著名的貝爾不等式之後，才為量子力學提供了一個新的架構。法國物理學家阿蘭．阿斯佩 (Alain Aspect) 花了十年工夫，用實驗驗證了貝爾不等式，從此量子力學才得以正式擺脫 EPR 悖論的「糾纏」，並且衍生出量子計算以及量子加密等等新技術。

雖然當阿斯佩當年告訴貝爾，他正在進行貝爾不等式的實證研究時，深知實驗工作不易的貝爾，甚至曾經半開玩笑地問他「那你有終身職糊口嗎？」，但倘若沒有阿斯佩不折不撓的長期投入，量子力學的發展瓶頸，也許還得再卡上另外一個二三十年。我們從量子糾纏的這段往事，也能夠再一次看到物理學實事求是的精神，以及理論與實驗互為表裏的本質。