21世纪最重要的量子技术进步，一个被低估的定理如何改写现实规则

2012年发表的一篇物理学论文，本该引起轩然大波，却在公众视野中悄无声息地过去了。普西、巴雷特和鲁道夫三位物理学家提出的定理，用严谨的数学语言证明了一件让人不安的事：量子态不是我们对现实的描述，而是现实本身。

这意味着什么？意味着爱因斯坦用了后半生去追寻的"完备理论"，可能从一开始就走错了方向。意味着量子世界的诡异不是因为我们知识不够，而是宇宙本来就这样运行。

一场持续了一个世纪的赌局

1927年布鲁塞尔的索尔维会议上，爱因斯坦和玻尔展开了物理学史上最著名的辩论。爱因斯坦不相信粒子在被观测前真的处于不确定状态，他觉得一定有某些"隐藏变量"在背后操控着一切，只是我们还没发现而已。就像你看到沙粒在平板上剧烈波动，但如果能观察到平板本身的振动规律，你会发现这根本不是随机的，而是完全确定的。

玻尔的哥本哈根诠释则认为，在测量发生之前，粒子既不在这里，也不在那里，而是处于所有可能性的叠加态。是测量这个行为本身，让现实从模糊变得清晰。

图中展示了两个纠缠粒子，它们在空间中分离，各自的性质在被测量之前都是不确定的。实验已经证实，在测量发生的关键时刻之前，这对纠缠粒子都不处于任何特定的状态：这正是许多现代量子技术得以实现的关键所在。然而，这些纠缠粒子之间是否存在某种意义上的“联系”，仍有待进一步探究。图片来源：Johan Jamestad/瑞典皇家科学院

这场争论僵持了几十年，直到1964年，爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出了一个绝妙的方法：用数学不等式来区分"隐藏变量存在"和"量子力学正确"这两种情况。如果实验结果违背了贝尔不等式，那么局域隐变量理论就被推翻了。

1982年，法国物理学家阿兰·阿斯佩率先用纠缠光子进行实验，确立了对贝尔不等式的违背。这是量子纠缠研究的里程碑，也是2022年诺贝尔物理学奖授予阿斯佩、克劳泽和塞林格的原因。但贝尔实验有个致命弱点：它只能排除"局域"隐变量，如果隐变量是非局域的，也就是说，空间一端发生的事能瞬间影响另一端，那贝尔不等式就管不着了。

PBR定理：关上最后一扇门

量子力学中的纠缠对可以比作一台向相反方向抛出颜色相反球的机器。当鲍勃接到一个球并看到它是黑色的时，他立刻就知道爱丽丝接到了一个白球。在一种使用隐变量的理论中，这些球一直包含着关于其颜色的隐藏信息。然而，量子力学认为，这些球在被观察之前是灰色的，或者黑白相间的，直到有人观察它们时，一个球随机变成白色，另一个变成黑色。贝尔不等式表明，存在一些实验可以区分这两种情况。这些实验已经证明量子力学的描述是正确的，球的颜色在测量之前是不确定的。图片来源：Johan Jamestad/瑞典皇家科学院

普西、巴雷特和鲁道夫的论文发表时，很多物理学家意识到这可能比贝尔定理更重要，因为它堵住了最后的退路。PBR定理基于三个看似无害的假设：量子系统具有物理属性、可以独立制备多个系统、测量仪器只对被测系统的物理特性做出反应。

然后他们证明，如果这三个假设成立，量子态就不可能是"认知论的"，也就是说，不可能只是我们对现实的不完整描述。量子态必须是"本体论的"，它就是现实本身的完整表达。

当具有量子自旋的粒子穿过定向磁体时，它至少会沿两个方向分裂，具体方向取决于自旋方向。如果再沿相同方向放置一个磁体，则不会发生进一步分裂。然而，如果在两个磁体之间垂直放置第三个磁体，粒子不仅会沿新的方向分裂，而且之前获得的关于原始方向的信息也会被破坏，导致粒子在穿过最后一个磁体时再次分裂。单个粒子的偏转方向无法预先得知，只能通过测量来确定。图片来源：MJasK/Wikimedia Commons

这个结论击碎了所有试图用隐变量来"拯救"决定论的努力。无论隐变量是局域的还是非局域的，无论它们以什么形式存在，只要你接受那三个基本假设，你就必须接受：在测量之前，粒子真的没有确定的位置和动量，波函数坍缩真的对应着一个物理过程，量子纠缠真的意味着两个相距遥远的粒子在某种意义上是"一体的"。

从实验室到量子计算的战场

量子力学存在多种诠释，它们对各种性质赋予了不同的定义。尽管存在差异，但目前尚无实验能够区分这些不同的诠释，不过某些诠释，例如具有局域性、真实、确定性隐变量的诠释，可以被排除在外。资料来源：英文维基百科“量子力学诠释”页面

PBR定理不只是哲学争论的裁判，它对量子技术的发展有着深远影响。如果量子态只是我们的知识状态，那理论上就可能存在某种方法提取更多信息，从而预测量子系统的行为。但PBR定理告诉我们，这条路走不通，量子不确定性是根本性的，不是技术问题。

这个结论反而推动了量子技术的发展。既然量子态本身就是现实，那么量子计算机操作的就是真实的物理过程，而不是对某种更深层现实的模拟。量子密码学的安全性也因此得到了更坚实的理论基础：窃听者无法通过某种巧妙的方法绕过不确定性原理，因为不确定性就刻在现实的底层代码里。

2025年，谷歌宣布其量子算法Quantum Echoes在特定任务上超越了经典超级计算机的能力。IBM在11月展示了新的量子处理器和算法突破，并承诺在2026年底实现量子优势。这些进展背后，是对量子态本质的深刻理解。如果物理学家还在纠结"量子态到底是什么"，这些技术突破可能根本不会发生。

通过让光源发射一对纠缠光子，分别由两个不同的观察者接收到，就可以对这些光子进行独立测量。测量结果应该是随机的，但总体结果应该显示出相关性。这些相关性是否受局域实在论的限制，取决于它们是否满足贝尔不等式。图片来源：APS/Alan Stonebreaker

现实比我们想象的更怪

PBR定理发表至今已经14年，但它在公众层面的影响力远不及贝尔不等式，甚至在物理学界也常常被低估。这可能是因为它的结论太不符合直觉：我们习惯了认为，即使看不见、摸不着，物体也应该有确定的性质。一个电子不管你看不看它，它总该在某个地方吧？

但量子力学说不是这样的。在你测量之前，电子真的不在任何特定位置。它不是"在某个我们不知道的地方"，而是处于一种本质上模糊的状态。用哲学家的话说，是"潜在性"而非"现实性"。测量让潜在性塌缩为现实性，这个过程不是揭示了原本就存在的信息，而是创造了新的现实。

第三个Aspect实验的示意图，该实验旨在检验量子非局域性。来自光源的纠缠光子被发送到两个快速开关，这两个开关分别将光子导向偏振探测器。开关的设置变化非常迅速，从而在光子飞行过程中有效地改变了实验的探测器设置。令人费解的是，不同的设置会导致不同的实验结果。图片来源：查德·奥泽尔

这对我们的世界观有什么影响？至少意味着，宇宙不是一台精密的钟表，未来也不是从过去机械地演化出来的。在量子层面，真正的随机性和不确定性是内置的。爱因斯坦那句"上帝不掷骰子"的名言，现在看来更像是一种不愿接受的抗议，而非对现实的准确描述。

一个没有终点的问题

电子依次通过双缝干涉仪时，双缝均打开，电子可以同时通过。如果测量电子通过的是哪个缝，就会破坏图中所示的量子干涉图样。然而，只要电子的德布罗意波长小于其通过的缝隙尺寸，这种波动性就依然存在。这种兼具波动性和粒子性的特性已在电子、光子甚至更大的复合粒子中得到证实。图片来源：Tonomura 博士；Belsazar/Wikimedia Commons

当然，PBR定理也不是故事的终点。它依赖于三个假设，如果这些假设被推翻或修正，结论也会改变。有物理学家提出"超决定论"的观点，认为测量设置本身可能不是自由选择的，而是被更深层的因果链条预先决定的。如果连我们选择测量什么都不自由，那PBR定理的假设就站不住脚了。

但超决定论本身也是激进的观点，它意味着放弃自由意志，这在哲学上的代价可能比接受量子不确定性还要高。到目前为止，大多数物理学家更愿意相信PBR定理揭示的图景：量子态是真实的，不确定性是根本的，现实在测量时刻才变得确定。

2026年，量子技术正迎来商业化的关键年份。量子安全、量子优化、量子模拟，这些应用正在从实验室走向实际场景。而所有这些技术的理论基础，都建立在对量子态本质的理解之上。从这个角度看，PBR定理或许不该被称为"被低估的"定理，它的价值已经嵌入在每一个量子比特的操作中，嵌入在量子计算机运行的每一个时钟周期里。

只是大多数时候，我们忘记了去追问：这些技术为什么能工作？它们在操作什么样的现实？而PBR定理给出的答案是：一个比我们想象中更加奇异、更加基本、也更加真实的量子世界。