推荐序二
我非常高兴和荣幸，向大家介绍当代物理学大师、2022年诺贝尔物理学奖获得者安东·蔡林格的这本科普著作《光子之舞》。此书的主要内容是量子隐形传态，它相当于科幻作品中的传送术。其实，量子隐形传态的英文名“quantum teleportation”，直译过来，就是量子传送。所以我们在书中经常会见到“传送”这个词，也经常见到“隐形传态”这个词，读者可以明白，它们在英文原文中其实是同一个词。
许多科幻作品都会出现传送术。例如，书中提到的《星际迷航》系列，就是个典型，它甚至造出了一句名言：“把我传上去！”然而如果细想起来，问题就来了：传送是个有科学原理支撑的技术，还是是个纯粹的幻想？如果有科学原理支撑的话，是什么呢？
科幻影视剧中对传送术的描述，往往是先对要传送的物体做一个扫描，在完全了解了它的信息之后，再根据这些信息在远处重建出这个物体。这看起来很合理，但唯一的问题在于，在真实世界中，这其实是不可能的。
为什么呢？因为要获得物体的信息，就需要做测量。然而，真实世界遵循的物理规律是量子力学，量子力学中测量的结果一般而言是不确定的，一次测量只能得到多个可能的结果中的某一个。更糟糕的是，测量以后状态就改变了。假如我们有很多个相同的样品，那么可以重复很多次测量，获得概率分布。但我们要传的是独一无二的样品或人，那就不可能重复测量很多次。因此，这个看似一目了然的方法，其实是行不通的。
实际上，传送的问题可以表述为：对于一个未知状态的量子体系，如何把它的状态传到远处的另一个体系上去？这里的关键在于状态未知，假如状态已知，就没有任何难度了，那就变成了一个制备特定状态的问题。但对于未知的状态，我们就没办法在不破坏它的情况下测量它，所以这个问题极其棘手。其实量子力学中有一个“量子态不可克隆定理”，说的就是对于未知的量子态，不存在可靠的方法将它复制。
乍看起来，这已经宣判了量子传送的不可能性。然而，真正的峰回路转之处在于：我们不可能复制一个未知的量子态，但有可能把它转移到另一个地方！转移的意思就是，把A粒子的状态转移到B粒子上，同时A粒子的状态发生变化，所以最终还是只有一个体系具有A最初的状态，而不是两个。
1993年，有六位理论物理学家提出了量子隐形传态的构想。论文的标题很长，叫作《通过双信道（经典以及爱因斯坦-波多尔斯基-罗森信道）远距离传送未知量子态》。这里提到的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森信道就是大名鼎鼎的神奇现象——量子纠缠。因为量子纠缠是爱因斯坦和他的这两位助手在1934年提出的，所以人们也常把量子纠缠对用这三人的姓氏首字母表示，即将其称为EPR对。量子纠缠的效果是，两个粒子各自的测量结果是随机数，但这些随机数之间存在确定的关联，例如总是相同或者总是相反。事实上，蔡林格2022年获得诺贝尔物理学奖的主要原因就是，在同年获得该奖的其他两位物理学家（约翰·克劳泽和阿兰·阿斯佩）之后做了证实量子纠缠的实验。
量子隐形传态的理论方案是在1993年提出来的，而实验是在1997年进行的。该实验正是由蔡林格的研究组首次实现的，这也是他获得诺贝尔物理学奖的原因之一。跟前面的理论文章形成鲜明对比的是，这篇实验文章的标题极其简短，英文只有三个单词，其中文译作《实验量子隐形传态》。特别值得一提的是，潘建伟是此文的第二作者，当时他在蔡林格的组里读博士。
提到量子隐形传态，最容易产生的其实是种种误解。下面我们就来解释一下，它是什么以及不是什么。
首先，它传的是状态，而不是粒子。我们并不是让一个粒子在这里消失，在那里出现，而是让一个粒子的状态出现在远处的粒子上。
然后，它是状态的移动，而不是复制。经常有人以为，这样会得到两个相同的人，于是立刻就产生一大堆伦理问题，比如：哪个是真正的自己？其实根本不会出现这样的问题，因为初始粒子的状态必然会改变。也就是说，它是一种破坏性的传输。
第三，量子隐形传态不是瞬间传输。经常有人以为，量子隐形传态可以超越光速，推翻相对论，但这是错的。原因在于，虽然量子纠缠的速度是无穷大的，但量子隐形传态中有个步骤是通过经典信道传输，爱丽丝要把自己测得的两个比特的信息（00、01、10或11）传给鲍勃，这一环节的最高速度就是光速，因此整个量子隐形传态的最高速度就是光速。
我们来总结一下，量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个体系的未知状态传输给另一个体系。如果现在你明白了科幻作品中的传送术不是纯粹的幻想，而是有科学原理支撑的，你的知识水平就超过了99%的人。
不过，我从几年的科普实践中感到，量子隐形传态是个很难科普的话题。因为用日常语言描述这样一个复杂的过程，无论再怎么努力，也还是很容易词不达意。最终的效果就是，只有本来就懂的人才能明白关于它的描述在说什么，本来不懂的人看了以后也还是不懂。我十分怀疑，这本书的读者也会产生这样的感觉。
对此我也很难开出什么好的药方，但就我自己的经验而言，我真正搞懂量子隐形传态是在看了它的精确描述之后，该类描述是用数学符号、专业概念一步步地呈现出它的步骤。这时我的感觉是，这个过程其实很清晰，很容易理解。尤其是能够明白，其中最大的妙处是，让第三个粒子的状态变成某种跟第一个粒子的初始状态有关的组合，而且这个组合总能找到某种方法让它变成第一个粒子的初始状态，这样就实现了传送。
在我的科普书《量子信息简话》中，就用一部分选读内容介绍了量子隐形传态的具体过程。如果您有兴趣对量子信息获得更多、更系统的了解，欢迎读我这本书。下面，我们就来介绍一下量子隐形传态的步骤，您可以看看是否对后面的阅读有很大帮助。
这里首先要引入一种数学符号，用它可以方便地表示量子状态。它叫作狄拉克符号，是由英国物理学家、1933年诺贝尔物理学奖获得者保罗·狄拉克（1902—1984年）提出的。狄拉克符号就是“|＞”，你可以在里面填上任意的数字、字母甚至一句话，用来表示某种状态。例如，我们经常用|0＞和|1＞来表示一个粒子的两个基本状态。
量子隐形传态的基本框架是，它需要用到两个人爱丽丝和鲍勃以及三个粒子A、B、C。爱丽丝拿着A粒子，它处于某个未知状态a|0＞+b|1＞，其中a和b是两个未知的数，我们想把它传到远处去。为此我们引入另外两个粒子B和C，它们处于纠缠态（|00＞+|11＞）/
，B也在爱丽丝手里，而C在远处的鲍勃手里。然后我们用某些操作，让A和B纠缠起来。
然后爱丽丝对A、B这个两粒子体系做一次测量，总共有四种可能的结果：00、01、10和11。与此同时，C粒子的状态就会相应地变成a、b、|0＞、|1＞的某种组合：00对应a|0＞+b|1＞，01对应a|1＞+b|0＞，10对应a|0＞—b|1＞，11对应a|1＞—b|0＞。
最后，爱丽丝把自己的测量结果发给鲍勃，鲍勃根据这两个比特的信息对C做一个操作，就能让C变成A最初的状态a|0＞+b|1＞，而A粒子这时已经变成了|0＞或|1＞，这就实现了量子隐形传态。而且最奇妙的是，从头到尾我们都不知道a和b等于多少，但能确信，C最后的状态就是A最初的状态。
以上的流程，如果你不能完全看懂，这是正常的。但如果你能记住用到了三个粒子、对两个粒子做测量、根据测量结果把第三个粒子的状态变成第一个粒子的初始状态，你的知识水平就超过了99.9%的人，阅读这本书时的许多疑惑也会迎刃而解。
这本书还有一个有趣之处，是此后的发展。这本书英文版出版于2010年，当时潘建伟刚刚回国，在学术界初露头角，不过书里已经多次提到他的贡献。作者可能也没有想到，后来潘建伟研究组开创了很多量子隐形传态新的里程碑，例如多自由度的量子隐形传态（2015年被英国物理学会评为当年最重要的物理学进展）、从地面到卫星的量子隐形传态（2017年通过“墨子号”量子科学实验卫星实现）、跨越1200公里的量子隐形传态（2022年以“墨子号”为中介，在德令哈与丽江两个地面站之间实现）。这本书结尾提到的发射量子卫星的设想，也是由中国卫星率先实现的，即“墨子号”。蔡林格研究组跟中国也有广泛的合作，蔡林格在诺贝尔奖颁奖演说中介绍了这些成果。量子科学在中国的蓬勃发展，对全世界科学家都是一大惊喜。
最后，我们需要说明，此书的主要内容是量子隐形传态，但它远远不限于此。它深入探讨了量子力学带来的许多哲学问题，正文的最后一部分“这一切意味着什么？”就是对此的总结。量子力学不仅给我们带来了许多实用的技术，如激光、半导体、发光二极管，它还对我们的世界观产生了很大的冲击。
目前最核心的结论就是，通过贝尔不等式实验可以确认，量子力学不满足“定域实在论”。所谓定域性，就是不能超光速传递信息。所谓实在性，就是一个物理量在测量之前就有确定的值。定域实在论，就是这两者加起来。乍看起来，这两者都是天经地义的。然而，假如世界真的满足定域实在论，它就会满足一个不等式，叫作贝尔不等式。这个不等式是否成立，是可以通过实验检验的。按照量子力学的预测，纠缠态就可以违背贝尔不等式，因此量子力学跟定域实在论构成了尖锐的冲突。
蔡林格等人用纠缠光子做的实验，正是确认了结果违背贝尔不等式，所以证明量子力学是正确的，定域实在论是错误的。这对我们的世界观，堪称一场革命。
然而这场革命的意义，我们还远没有完全理解。究竟是定域性不对？还是实在性不对？还是两者都不对？我们还远远不清楚。但科学最大的意义之一就是告诉我们，世界存在这样深邃的问题，它激励我们去探索。