静5杰出讲座回顾 | 谁说自然界是非定域的？

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报告伊始，Brassard 教授首先追溯了非定域性概念的发展。他指出，人们常常认为现代物理已经证明自然具有非定域性，但这一观点并非牛顿、爱因斯坦甚至贝尔本人所主张。

牛顿提出的万有引力理论虽然以超距作用的形式描述引力，却始终认为这种描述并非最终解释。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）提出著名的EPR佯谬，指出如果量子力学是完备理论，那么纠缠态将导致所谓的“幽灵般的超距作用（spooky action at a distance）”。由于坚信自然界满足局域性，爱因斯坦认为量子理论并不完备，应存在决定测量结果的隐藏变量。

随后，John Bell 证明任何局域隐变量理论（local hidden-variable theories）都无法完全重现量子力学的预测，并提出著名的贝尔不等式。此后的大量实验，包括 John Clauser、Alain Aspect 和 Anton Zeilinger 等人的工作，均支持量子理论而否定了局域隐变量理论。这些成果最终获得了2022年诺贝尔物理学奖。

Brassard 教授指出，值得注意的是，这些科学家本人并未简单地将实验结果理解为“自然一定是非定域的”。他们普遍认为，实验否定的是局域隐变量理论，而如何理解局域性本身，仍然值得进一步探讨。

围绕这一问题，报告进一步分析了量子纠缠与局域性的关系。

Brassard 教授指出，量子纠缠使两个相距遥远的系统表现出高度相关的测量结果。标准量子力学通常借助波函数塌缩解释这种关联，而 EPR 则试图通过隐藏变量恢复经典意义上的局域实在论。

然而，贝尔定理真正证明的是：局域隐变量理论无法解释量子实验结果，而不是自然界本身不存在局域性。

报告介绍了 David Deutsch 和 Patrick Hayden 关于量子信息局域性的工作。他们证明，在海森堡绘景下，量子信息本身始终保持局域传播，一个系统上的局域操作不会改变另一个远处系统所携带的信息。这说明，纠缠并不意味着存在真正意义上的超距作用。

Brassard 教授进一步指出，人们通常将“local realism”等同于“local hidden variables”，实际上这是一个长期存在的概念混淆。

报告介绍了近年来 Paul Raymond-Robichaud 与 Brassard 等人的研究。他们提出，一个真正的局域实在理论应包括三个基本要素：首先，存在描述客观世界状态的真实物理状态（realism）；其次，整体系统能够由各个子系统共同描述，即满足可分离性（separability）；最后，一个子系统上的局域操作不会改变另一个子系统的物理状态，即不存在真正的超距作用。

量子理论由于纠缠态不满足可分离性，因此波函数不能作为客观世界状态的完整描述，这意味着量子理论依然是不完备的。但与此同时，量子理论始终满足 non-signalling 原则，即不会产生超光速信息传递。

报告进一步介绍了 Paul Raymond-Robichaud 提出的理论框架。相关研究表明，满足 non-signalling 条件的理论都能够构造出对应的局域实在模型，而局域实在模型同样必然满足 non-signalling。这一结果说明，non-signalling 不仅是量子理论的重要性质，也可以作为描述客观世界的一种更加一般的数学框架。

报告最后总结指出，长期以来，人们往往将“违反贝尔不等式”直接等同于“自然具有非定域性”。Brassard 教授认为，这一推论并不成立。

贝尔定理所排除的是局域隐变量理论，而局域实在理论并不限于局域隐变量这一种形式。因此，现有实验只能说明局域隐变量模型无法成立，却不能据此断言自然本身具有非定域性。

他强调，量子理论能够极其精确地预测实验现象，但波函数未必包含描述客观现实的全部信息。未来，对量子理论基础的研究仍需要进一步探索更加完备的理论框架，以重新理解局域性、实在性以及量子信息的物理本质。

报告结束后，现场师生围绕贝尔定理、量子纠缠、量子信息局域性以及量子理论的完备性等问题展开了热烈讨论。Brassard 教授深入浅出的讲解和对量子理论基础问题的独特见解，为与会师生提供了新的思考视角，也进一步激发了大家对量子信息基础理论研究的兴趣。

文字 | 霍子璇

图片 | 雨哲

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