在安东·蔡林格的理想世界里，超高速量子计算机将使用单个原子而非硅芯片处理数据。这类设备将拥有惊人的能力，包括将物质转化为信息包并在空间中进行传送。但对蔡林格来说，即使这个梦想也不够奇特。他说，当科学真正新颖时，由此产生的技术“无法提前想象”。
他这番话是根据经验而言的：这位奥地利物理学家一生都在理解的边界之外，研究量子物理学的一些最大谜团。经典的牛顿物理学能很好地描述我们周围的世界，但当面对量子世界（原子和夸克领域）不可预测的行为时，它就完全失效了。量子物理学解决了这种失效，但也导致了一些如此奇异的观点，以至于阿尔伯特·爱因斯坦说它们必然是错误的。他特别反对“纠缠”——即双胞胎粒子可以在时空中相互交织的概念——并预言它永远不会被证明。
然而，蔡林格正通过一系列精心设计的实验来证明这一点，每个实验都比上一个更巧妙。在他手中，纠缠不仅仅是一种科学上的奇特现象，而是一个重要的工具。他利用光子（光的基本单位）证明了多个粒子可以纠缠，这是实现实用量子计算机的关键一步。他还是第一个实现量子隐形传态（pdf）的人，即将一个粒子的特性转移到另一个粒子上，这一突破可能导致创建不可破解的代码。蔡林格是维也纳大学物理学教授，也是奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的科学主任，他被授予英国物理学会颁发的第一枚牛顿奖章，以及2010年沃尔夫物理学奖。《发现》杂志资深编辑埃里克·鲍威尔在蔡林格访问纽约市期间采访了他。
您是如何以如此独特的方式看待世界的？ 我在二战后的奥地利长大，所以我们很穷。我们住在苏联占领区，这意味着住房稀缺。我们被安置在一个小村庄一座城堡的三楼。那里有巨大的房间，我喜欢从窗户向外看。所以我的父母在窗户上安装了栏杆，他们用安全带把我绑在上面。我就会坐在那里，在窗外悬挂好几个小时，只是看着下面的牛和人。村民们至今仍在谈论那个从城堡窗户上吊着看一切的奇怪孩子。
所以您从小就非常好奇？ 哦，我曾经把我能拆开的东西都拆开了。比如我姐姐的洋娃娃。我把它们的胳膊和腿都拆了下来，因为我想知道它们是怎么工作的，而且我从不把东西重新组装起来，正如你所想象的，这并不总是受到赞赏。后来在学校里，我有一个非常好的物理和数学老师。他能教我们相对论的基本思想，让我们相信我们理解了它，我现在知道那不是真的。然后我在大学里通过书本自学了量子力学，我立刻被它的数学之美所震撼。
您是什么时候开始对纠缠感兴趣的？ 在20世纪70年代末，我来到麻省理工学院后，我读了1935年那篇著名的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森论文，该论文批评量子力学不完整，并首次提出了量子纠缠作为思想实验的概念。爱因斯坦和他的合作者认为，如果纠缠是正确的，那么两个粒子将在大距离上以一种方式连接起来，通过测量其中一个粒子的属性，就可以预测另一个粒子的属性。但是，他们认为，这种情况违反了海森堡不确定性原理，该原理指出不可能同时知道一个粒子的位置和动量[因为测量其中一个的行为会立即不可避免地改变另一个]。由于这两种理论相互矛盾，他们说，量子力学必然是不完整的。
您的意思是，缺少了一些关键元素？ 他们就是这么说的。他们认为物理学必须研究独立于我们测量行为而真实存在的事物；这是爱因斯坦一生最基本的信条。今天我们知道，这个论点是错误的。
我们怎么知道的呢？ 多亏了物理学家约翰·贝尔，他认真对待了量子纠缠。贝尔提出了一个名为贝尔定理的数学证明，以检验爱因斯坦提出的思想实验，该实验基于一种名为局域实在论的理论假设。在局域实在论中，假设粒子携带独立于观察的属性，并且粒子之间没有信息可以以超光速传播。这导致了与量子力学相冲突的实验预测，量子力学指出测量粒子的行为本身会改变所测量的属性，并且这种变化发生的速度比光速更快。但是，在贝尔创建他的证明时，不可能进行一个真实的实验来判断局域实在论和量子力学之间的区别。
今天您可以在实验室中用纠缠粒子来验证贝尔定理。这些实验得出了什么结论？ 局域实在论行不通。例如，假设您正在用纠缠光子做实验。一旦您在探测器中测量其中一个纠缠光子，发现其偏振（即其波的方向）是水平的，那么另一对光子会立即投射到水平状态。这并非因为这些光子从一开始就都是水平偏振的。这与实验结果相矛盾。无论您是同时观察这两个相隔很远的粒子，还是先后观察它们；结果都是一样的。所以看起来量子力学并不在乎空间和时间。
那么，这是否意味着爱因斯坦错了呢？ 在检验贝尔定理的实验中仍然存在一些技术漏洞，这些漏洞可能允许对纠缠现象做出局域实在论的解释。例如，我们没有检测到实验中的所有粒子，因此可以想象，如果我们能够检测到每一个粒子，有些粒子可能与量子力学不符。大自然真的非常狡猾，它只让我们检测到与量子力学相符的粒子，这种可能性微乎其微。如果是这样，而且如果我们能检测到其他粒子，那么局域实在论就可以得到拯救。但我认为我们即将弥补所有这些漏洞，这将是量子技术实际应用方面的一项重大成就。
您自己关于纠缠粒子的实验在20世纪80年代，通过您与理论物理学家丹尼尔·格林伯格的合作而取得了进展。这是如何发生的？
丹尼尔带着我为他组织的富布赖特奖学金来到了维也纳。我记得我们第一天早上坐在一起，我们想：“我们该研究什么呢？”结果我们都一直在问自己，如何将贝尔定理扩展到尚未应用的新领域。我们都认为研究两个以上粒子是否可以纠缠可能会很有趣。
没有其他人考虑过这种实验吗？ 没有人研究过涉及两个以上粒子的纠缠，尽管事后看来这种方法有点显而易见。人们研究过两个光子，所以为什么不研究三个呢？你懂的。我们发现多粒子纠缠态在理论上是可能存在的[其中一些现在被称为格林伯格-霍恩-蔡林格态，或GHZ态]，我决定我的目标是在实验室中实现它们。事实证明，创建它们所需的大部分工具根本就不存在。光源和探测器不足以观察多粒子纠缠。还有很多工作要做。
您最终是如何创建这些状态的？ 我们找到了一种方法。要做到这一点，你需要四个光子——两个光子纠缠在一个状态中，另外两个光子纠缠在另一个状态中。然后我们将每一对中的一个光子送入探测器，你只测量其中一个，这样你就不知道你测量的这个光子是来自第一对还是第二对。如果你做得对，剩下的三个光子最终会纠缠在一起。
在创建多粒子纠缠态的过程中，您还找到了一种将一个粒子的属性转移到另一个粒子上的方法——这是我们所拥有的最接近隐形传态的技术。您是如何对此产生兴趣的呢？ 嗯，这其实是一个有趣的故事。1993年，理论物理学家提出了量子隐形传态的建议，基本上是将一个粒子的属性转移到另一个可以任意远的粒子上。当我读到这个时，我说：“他们在说什么？这是一个典型的理论家提议；他们根本不知道这个实验有多么不可能。”
理论家们提出了什么？ 他们做了一个简单的思想实验。有两个人，按惯例我们称之为鲍勃和爱丽丝，他们想通过纠缠粒子对进行通信。爱丽丝有一个量子态，可以代表一条特定的信息，她想把这个量子态传输给鲍勃。假设他们之间的通信信道非常差，以至于爱丽丝无法直接发送量子态本身，因为它会被环境或其他因素干扰。这些理论家们提出，传输量子态的方法是将第三个粒子与一对已经纠缠的粒子纠缠起来。所以，如果爱丽丝拥有纠缠对中的一个粒子，而鲍勃拥有另一个，那么爱丽丝所做的就是将她的粒子与携带她想发送给鲍勃的量子态的第三个粒子纠缠起来。仅仅通过执行这个纠缠过程，第三个粒子所携带的信息就被隐形传输到了鲍勃那里。这是一个非常优雅的想法，但在过去根本没有办法进行这个实验。
但在实现多粒子纠缠态的过程中，我们实际上开发出了能让我们进行隐形传态实验的工具。这太神奇了。对于隐形传态，你必须从两个纠缠光子开始，然后你必须能够将其中一个与第三个光子纠缠。这就是这个想法。而最大的惊喜是，这对于量子信息科学这一新领域有着深远的影响。
量子隐形传态和量子计算之间有什么联系？ 量子计算机需要所谓的通用量子门，这是一种设备，其中一个系统的量子态会根据另一个系统的状态而改变。它类似于逻辑门，即经典计算机中调节输出的电路。而隐形传态实际上可以作为那个通用量子门。
在此之前，如果有人问您关于您的量子力学基础研究的实际意义，您会怎么说？ 我会坦率地告诉他们，它根本没有任何用处。
您会说您只是在满足您的天生好奇心吗？ 这是人类的一部分。它一定可以追溯到史前时代，那时人们站在那里仰望天空，想知道天上发生了什么。如果人们不好奇，我们就不会有我们的文明。对我来说，这是科学最重要的驱动力。即使是发展新技术，如果你真的想做一些新的事情，那么就其本质而言，未来的技术是无法想象的。
我的意思是，谁曾想过手机？当电脑芯片被开发出来时，没有人想到这会出现在手机里，你会能够看到别人的照片并下载整本书。我们的想象力还不够强大。我们可以想象很多关于未来的事情，但它们通常是错误的事情。如果你看看20世纪50年代写的关于未来的东西，大部分都是完全错误的。今天人们谈论可能的未来也是如此。
您最近的一些工作涉及在加那利群岛之间远距离传输纠缠光子。您从这些实验中获得了什么？ 嗯，两件事。一是我们在开发用于全球卫星量子通信的方法方面取得了进展，因为距离（从地面到近地轨道）大致相同。二是在贝尔定理中堵塞了另一个漏洞——自由选择漏洞。这个漏洞假设实验中产生两个粒子的源也以某种方式产生信息，影响了对粒子进行何种测量的选择。这是一个完全逻辑一致的立场，排除它的方法是在任何信息从源到达您之前就决定要测量什么。
为了验证这一点，我们在相距90英里的拉帕尔马岛和特内里费岛上设计了一个实验。在拉帕尔马岛，我们产生了一对光子，并使用自由空间望远镜链路将其中一个光子发送到特内里费岛，而在特内里费岛，我们在光子到达很久之前就决定了要测量哪种偏振。
当您说“很久”的时候，您的意思是…… 很久的意思是——对于现代电子设备来说，那是很长的时间——光子从A到B需要半毫秒，所以如果您在几十分之一微秒之前决定了什么，那就是很久了。然后另一个光子被局限在一个玻璃纤维线轴中，并在稍后在拉帕尔马测量。对这个光子进行何种测量，是由一个随机数发生器在光子对在远距离（大约一英里外）产生的同时决定的，这意味着没有任何信号能够快速到足以影响它。
那么您是否能够堵塞那个漏洞了呢？ 那个漏洞被堵塞了，现在最大的目标是进行一个能够一次性堵塞所有漏洞的决定性实验。堵塞所有漏洞最重要的一点是，它将带来完全安全的量子密码学。漏洞原则上可以被窃听者用来隐藏、掩盖其存在并获取部分信息。但是，如果您有一个无漏洞的贝尔定理测试，那么这就不可能了。因此，这些实验具有实际意义。
您的工作有什么哲学意义？ 量子态代表测量结果；它代表关于具体情况的信息，它允许我预测未来的测量结果。所以它既是我所知情况的信息，也是关于未来的信息。我常说量子理论是信息理论，而现实与信息之间的分离是人为的。你无法思考现实而不承认你正在处理信息。所以我们需要一个包含这两者的新概念。我们还没到那一步。
有哲学家注意到您研究的这些概念性含义吗？ 我有一个项目，我邀请哲学家们来实验室看看发生了什么，因为这会改变你的直觉。绝大多数哲学家都是实在论者，尽管有时是朴素的实在论者。我经常问他们：“你为什么如此实在？如果你分析你的基本概念，你可能会得出这些事情比你想象的更反直觉的结论。”通常的回答是：“是的，但我想描述现实。”然后我说：“我也想描述现实，但你为什么不满足于描述观察到的现实？你为什么想要一个独立于观察而存在的隐藏现实？”我没有得到满意的答案。
在您看来，最引人入胜的新科学问题是什么？ 对我来说，最有趣的问题是如何得出下一个理论？我极不可能相信量子力学有一天不会被更深层次的理论所取代，因为为什么不呢？迄今为止，在物理学史上，我们总是发现更深层次的东西。更深层次的东西通常比我们以前所拥有的更反直觉，需要一段时间才能适应。只要比较一下相对论（它假定时间是相对的，取决于观察者）和牛顿的时空。这是我们实验的部分动机。我们想尽可能详细地揭示概念上的问题。
作为一个一生都与量子力学打交道的人，您认为自己对荒谬之事有更深刻的理解吗？ 很可能如此。我注意到，我对意想不到的发展的惊讶程度比许多人要小。我似乎比许多人更自然地接受事物的不可预测性。当年轻人加入我的团队时，你可以看到他们在黑暗中摸索，凭直觉找不到方向。但过了一段时间，两三个月后，他们就步入正轨，对量子力学有了直观的理解，这实际上是很有趣的观察。这就像学骑自行车。当然，背后有很多有趣的物理学原理。但实践经验也同样有效。做量子实验也是如此。人们学会了如何玩这些东西。
您曾与达赖喇嘛会面，并向他讲解了量子力学的基础知识。那是什么样的经历？他是个好学生吗？ 他有着非常清晰的科学思维。他非常分析性，非常精确。我向他解释了叠加原理、纠缠和测量事件的随机性，他总是提出正确的问题。我邀请他参观因斯布鲁克的一个实验室，那里有用于单个原子的离子阱，你通常可以在那里观察到原子。我想把这个展示给达赖喇嘛，因为他不相信原子。有趣的是，当他来的时候，它却没有工作。
达赖喇嘛所修习的佛教信仰因果报应的不断链条。当您向他解释量子事件的随机性时，他作何反应？ 这是他不喜欢的地方。他说：“你必须仔细观察，你必须找到原因。”然后他说了一件有趣的事情：“如果这真的是真的，而你能说服我们，那么我们必须改变我们的教义。”这是一种并非所有宗教都具备的灵活性。
难道这也不会困扰您吗？您不觉得量子世界的随机性有点令人不安吗？ 完全不会。我发现一个并非一切都预先确定的现实更令人感到安慰，因为它是一个开放的世界。它更丰富。对我来说，独立于我们存在的世界上最令人信服的证据是个别量子事件的随机性。这是我们无法影响的。我们对此无能为力。没有办法完全理解它。它就是那样。
您曾说过儿童应从小接触量子现象。为什么？ 我们的大脑是根据我们投入的强烈心理活动而发展的。如果你给孩子们介绍量子力学的基础知识，就有机会发展对现实的不同认知。问题在于我们是否愿意承担责任，让某个人，一个个体，走上一条与其他人不同的道路。这个人以后的人生会幸福还是不幸福？
您认为因为您对量子力学的理解而更快乐吗？ 我更快乐，当然。我非常非常荣幸能够研究这些问题。
