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       從小開始，我們就知道該如何接觸一個我們夠不到的物體：要么我們向它挪動，比如像嬰兒那樣爬過去；要么我們得用一個物件，比如說一根木棒，作為我們延長的手臂觸碰它。后來，我們了解到，更復雜的機制也是同一原理。比如：把一封信放進信箱，信會先由郵遞員集中起來，手工分類或者用機器分類，接著裝上大貨車、火車或者飛機，然后運往目的地。網絡、電視以及其他數不勝數的日常案例告訴我們：任何兩個相隔的物體之間的相互作用總是從一點到另一點連續發生的——這些傳播方式依據的也許是某些復雜的機理，但是這些傳播都是連續的，我們能在空間和時間中定位其軌道，至少原理上是可以的。

然而，量子物理，這種研究我們日常感知世界之外的學科，斷言相互之間距離很遙遠的物體有時能構成一個整體。這樣，盡管兩個物體被遙遠的空間所分割，如果我們觸碰兩個物體中的一個，這兩個物體都會振動！如何才能相信這種事情？能對這樣一個觀點進行實驗驗證么？我們需要搞清其原理么？我們能利用量子物理的這個“古怪”之處，即“分散的物質能構成一個整體”這個概念，來做到遠距離通信么？這正是我們這本書要試圖回答的主要問題。

我將會和你們分享這個從另一世界得來的迷人發現。這個世界中萬物并不以連續的、點對點的方式相互作用，而是通過“非局域”的方式相連接。

在介紹這本書的核心概念“非局域性”之前，我先講兩個小故事，這將幫助你了解我們的故事所發生的背景。一個是真實的故事，發生在遙遠的過去;另一個是想象的場景，在不遠的將來也許會成為現實。

牛頓：天大的謬論

牛頓的萬有引力定律眾人皆知，即：物體間存在著相互吸引作用，而且相互吸引的大小取決于它們的質量以及相互之間的距離（更精確地說，作用力與相互距離的平方成反比，但是在這本書里這不是核心問題）。比如，太陽和地球通過引力聯系在一起。引力充當向心力，使得地球在圍繞太陽公轉的近圓軌道上運行。這種聯系對于其他系統也適用，包括地月系統，甚至圍繞著星系團中心旋轉的銀河系。

讓我們首先分析一下地月系統。月球所受到的來自于地球的吸引力取決于地球的質量以及地月之間的距離，月球如何感知到這一作用形式的？即，月球究竟如何感知地球的質量和兩者之間的距離？難道它像我們前文提到的那樣，伸出一根很長的棒子碰到了地球？或者它向我們發射某種微粒進行探測？它們究竟是通過哪種特殊的方式進行了交流呢？這種問題看似幼稚，其實卻很嚴肅，牛頓對其充滿不解，并為之陷入困惑的深淵。萬有引力定律，牛頓創立了它并且通過它贏得了巨大聲望，但在他自己看來，這一理論荒謬至極，“頭腦清醒的人都不會將它當作一回事兒。”（見“百寶箱”）。

百寶箱

牛頓

“我們這里所論及的引力應是物質固有的、內在的、本質的屬性。因此，一個物體可以不通過任何介質而穿過真空中的距離對另一個物體產生作用，并將它們的作用(Action)和力(Force)傳送給對方這一事實對于我來說簡直就是一個天大的謬論。因此，我相信，任何有足夠的哲學思維能力的人都不會沉溺于此。”[ Cohen B, Schofield R E. Isaac Newton Papers and Letters on Natural Philosophy and Related Documents. Harvard University Press, 1958.]

目前，我們可以肯定地說，牛頓的直覺是正確的。雖然，為了彌補牛頓理論的概念性空白，付出了物理學家幾個世紀的艱辛以及愛因斯坦的天賦、智慧。時至今日，物理學家們知道引力以及正負電子間的相互作用并不是瞬間發生的，而來源于某種“信使”的傳播。因此，上面提到的“微粒”假設是正確的。物理學家對這些作為信使的微小粒子進行了命名：引力的信使被稱為引力子(graviton)，電磁力的信使則被稱為光子(photon)。

沿著這種物理學思維方式，自愛因斯坦始，物理學將大自然描述為一個只能在空間中進行連續的、逐點相互作用的局域性實體的集合。這個觀點當然符合我們對世界的直覺，也符合牛頓的觀點。但是現代物理學同樣建立在另一根理論支柱——量子力學之上，它被用于描述原子和光子的世界。愛因斯坦參與建立了這個理論。在1905年，他將光電效應解釋為：光線中的微粒，即光子通過轟擊金屬表面并與表面的束縛電子發生相互作用而激發出電子，就像運動的彈球間的相撞一樣。但是，隨著量子物理的發展和成形，愛因斯坦開始排斥、批評這個理論，因為他很快察覺到為了維護這場物理“鬧劇”，需要引入一種超距離相互作用的概念。就像三個世紀前的牛頓一樣，愛因斯坦排斥這種假設，他認為這是荒唐的，并將之形容為“幽靈般的超距作用”(a spooky action at a distance)。

今日，量子力學殿堂金碧輝煌地聳立起來了，成為現代物理學的核心。它確實蘊含著一種可能讓愛因斯坦頗為不悅的非局域性概念，雖然在本質上，這種非局域性與困擾牛頓的非局域性迥然不同。除此之外，這種量子非局域性是由牢固的實驗支持的，我們甚至發現了它在密碼技術上的應用前景，它同樣使量子通信這一讓人驚異的技術成為可能。

詭異的“非局域”電話

接下來的故事乍看起來好似不夠奇幻，但卻是個科幻故事。或許，不久的將來這個故事將通過科技變成現實。

我們想象一下兩個朋友在打電話。為求簡便，我們根據字母表的順序分別命名他們為艾麗斯(Alice)和鮑勃(Bob)（ Alice和Bob是量子世界中常用的兩個虛擬人物。）。兩人以前打電話，有時會出現信號不好或者有雜音的情況，這次也不例外。不過這次通話實在難以進行，因為鮑勃所說的艾麗斯一點也不能聽清。她能聽到的只是連續的噪音：

“c-h-r-z-u-k-s-c-r-y-p-r-r-s-k-r-z-y-p-c-z-y-k-r-t-……”。

同樣，鮑勃聽見的也只有相同的噪音：

“c-h-r-z-u-k-s-c-r-y-p-r-r-s-k-r-z-y-p-c-z-y-k-r-t-……”。

他們徒勞地對著話筒大喊大叫，反復通話，在電話線長度允許的最大限度下改變電話在公寓的位置，而這些都不起作用。多惱人！這個電話實在名不符實，用它兩人根本無法交流。

不過，艾麗斯和鮑勃都是從事物理學的學生。他們各自記錄下了這個“儀器”發出的一分鐘時長的噪音。這樣，艾麗斯能向鮑勃證明她已經盡了最大的努力去嘗試理解這些聲音，鮑勃也是如此。令人驚奇的是：兩個朋友所記錄的噪音竟然嚴格一致。他們使用的是數字記錄儀。艾麗斯和鮑勃發現，他們兩人所記錄信息的每一個比特都是相同的。實在難以置信！這個聲音肯定來源于接線員，或者電話線上的某處。由于聲音是完全同步的，他們認定：聲源應該在電話線的正中點，這樣它剛好可以同時到達艾麗斯和鮑勃那里。

兩個朋友決定驗證他們的假設。他們設計實驗來證明他們的猜測：噪音的起因是連接他們的電話線的正中間處的電子元件出現了故障。艾麗斯提議用一截長電纜來延長她的電話線，這樣，相對于鮑勃，她接受到的噪音將會略有延遲。但事實并非如此，一切都沒任何改變！兩邊所接受到的噪音不僅依然完全一樣，它們到達記錄儀的時間也完全同步。鮑勃提議，那么就切斷電話線吧！但是聲音依然存在！

如何解釋這個現象呢？難道聲音不是通過電話線傳導的么？是因為有人無意中把一個無線電話掛在墻上了么？要不然就是聲音是電話自己產生的，而不是兩個電話間的某個聲源造成的。難道是因為某個遙遠星系爆炸后讓這兩臺能接受信息的電話產生了同樣的聲音？如何證明這些假設呢？鮑勃具有電磁學的知識，他把自己關在了法拉第籠(faraday cage)里，這是一種金屬網絡的籠狀結構，可以屏蔽一切試圖進入其中的無線電波。但聲音依然存在。艾麗斯提議，他們相互遠離對方——很遠，很遠……這樣的話，不論這個聲音是通過何種力學機制傳播的，聲源和接收者之間的聯絡強度將隨兩者之間的距離增加而漸漸減弱，直至消失。但是又一次，什么都沒有發生改變，一切如初。

艾麗斯和鮑勃對他們的遭遇如此下結論：他們的電話聽筒記錄了一長串的聲音，只要每次拿起話筒，電話都將重新播放這串聲音；而且這一串聲音是精確地依據時間而仔細排列的。這樣，兩部電話便會總能同步地產生同樣的聲音。

因為尋找到了問題的合理解釋，艾麗斯和鮑勃感到了巨大的愉悅，他們自豪地將新發現告訴教授。教授及時稱贊了他們的努力，但是說：“你們的結論——兩個電話通過某種共同原因，即兩個電話話筒事先已經記錄下了相同的聲音，而可以同步產生同樣的聲音——只是一個猜想。這個猜想是能夠被檢測的。這種檢測，我們稱之為貝爾檢測(Bell test)。”貝爾檢測，或稱為貝爾游戲，將在隨后的章節為大家展示。在眼下，你們只需知道，艾麗斯和鮑勃匆忙返回他們的房間，加緊對他們的電話實施貝爾檢測，卻失敗了。他們重復了很多次實驗，結果總是一樣。電話話筒自身記錄聲音的這個理論被否定了。

艾麗斯和鮑勃不斷思索：究竟是什么力學機制讓他們的電話在相距很遠，且沒有提前記錄信息，沒有相互聯系的情況下產生了同樣的聲音。他們白白地耗費頭腦，完全想象不出該如何解釋這種現象。他們回去詢問教授，教授回答：“你們找不出是什么力學機制并不讓我驚訝，因為根本沒有這種力學機制；這不是一個力學問題，而是量子物理。聲音是隨機產生的，而且是真正的隨機。聲音的每一個比特在電話話筒產生它之前都是不存在的。還有，這種量子隨機可以在幾個地方同時出現，比如在你們的兩個電話話筒中。”

“但是，”艾麗斯大聲說：“這不可能。信號應該隨著電話之間的距離遞減，不然這意味著我們可以在任意距離上聯絡。”

“還有，”鮑勃說：“完全同步意味著任意速度的通信，比光速還快。這不可能！”

教授依然保持冷靜：“你們說過，盡管你們改變了位置，轉向其他方位，或者搖晃電話，聲音卻還是不變。現在你們意識到了吧，隨機產生的聲音并沒有讓你們成功交流，你們話筒另一邊的人也沒有從你們做的那么多事中得到任何信息。”他繼續總結：“因此這沒有和愛因斯坦的相對論沖突，你們很好地證明了沒有任何通信傳播能比光速更快。”

艾麗斯和鮑勃無言以對。的確，在這場電話鬧劇中，他們并沒有實現任何交流，因此這個設備根本不能稱為電話，雖然它有著一般電話的樣子。但是它們是如何在不交流、不事先串通的情況下一直產生相同聲音的呢？真隨機能同時出現在好幾個不同的地方的解決方案又意味著什么呢？片刻的沉默后，鮑勃恢復了清醒，開始了新的思考：“事情如果真的如此，那么我們應當可以利用這種現象設計些具體的應用方案。建造一些具體的東西，研究、使用它，直到明白在表面現象的背后，它是怎么運作的。畢竟，我們也是如此搞清楚了電的原理，球的旋轉如何改變其運動軌跡等。事實上，我們對事物的一切了解都是這樣得到的。”

“對！”教授總結道：“這個現象可以用來生成隨機數，給機密通信進行加密，我們稱其為量子加密技術，它還能應用于量子通信。”但是，我們首先必須理解其背后的基礎概念——非局域性。

以上內容節選、整理自《跨越時空的骰子——量子通信、量子密碼背后的原理》。

量子通信可以超光速嗎？如何實現不可破解的密碼？是否存在超越量子力學的不確定性？……閱讀本書，你將尋找到這些問題的答案。然而，本書并非僅僅為了告訴你答案，而是要帶領你感受一個新的世界，去像量子物理學家一樣思考。不僅對繽紛炫目的量子科技會有更深的理解，你還將體會到其背后的思想革命所帶來的震撼！