沈葹

同济大学物理系教授

量子纠缠是一种奇特而典型的量子效应，乃指相关粒子系统（例如正反电子对湮没而转化成的双光子系统）之粒子之间存在即时超距、却不明其物理机制的关联，被爱因斯坦等人称作幽灵般（或曰“鬼魅式”）的相互作用。爱氏并借此以及所谓“薛定谔猫”的思想实验，质疑量子力学描述物理实在的完备性。然而，随着电子技术的迅猛发展，科学家已经凭借量子纠缠实现了信息的即时传输，此后便开发出量子通信、量子（并行极速）计算的奇异科技领域。这技术应用竟然会成为探究量子纠缠之理论意义的先导和验证工具。

物理理论的真和美，主要出于对称性探索。各种物质运动规律及其理论描述，无不以十分优美的不同对称性状为表征。经典物理中最美的理论体系——狭义相对论和广义相对论，极其精彩地描述了相对论性运动规律在四维时-空空间的洛仑兹变换和广义时空变换下保持不变的甚高对称性。而由探索对称性以寻求物质运动的理论描述，恰是理论物理的基本研究方法。将这个方法用于量子物理，便构建了描述各种相互作用的量子规范场理论，此即所谓“对称性决定相互作用”者，最后则扩展成囊括一切微观粒子及其一切相互作用之运动规律的超对称标准理论模型（并兼及超弦理论）；成功的关键正在于将经典理论依托的时空几何对称性，延拓为量子场论依托的内禀抽象空间的几何对称性。因此，几乎所有的理论建树，其实都是在爱因斯坦强调的“几何动力学观念”指导下的对称性探索之丰硕成果。

本刊专稿一文，阐述了科学家运用量子计算取得的惊人发现：散射粒子系统的整体纠缠程度一旦降到最低，系统的内部对称性却升到最高；另有报道文章提及，若使纠缠程度升到最高，也有类似现象。这就表明，量子纠缠与对称性彼此间存在联系。试想：纠缠度最小时，粒子系统可看作类经典系统，呈现最高对称性，即其行为几乎与经典物理理论秉持的几何动力学观念相符；反言之，倘若纠缠度达到最大，量子系统处于极端量子状态，内部对称性亦达到最高，那么可谓量子纠缠的物理机制或许将为系统的内部对称性提供根源性解释，这解释必然超出几何动力学观念的囿限，则探索研究超脱时空的量子纠缠效应可能产生超越原有物理学整个体系的理论意义。

超对称性-超弦理论的完善化以及量子理论与相对论的综合研讨，近若干年以来似乎已步履维艰。那么凭借对称性探索物质世界深层次规律的基本研究方法有待改进，甚至应当另辟蹊径；而由探究量子纠缠的物理机制入手，兴许可望开辟一条新的研究途径，以促使物理理论进一步拓展。可是，了解量子纠缠超时空的物理机制极其困难，惟期待于量子通信、量子计算技术今后更为飞速的发展，来提供出乎意料的启示和验证。不过，当下断言量子纠缠可能成为物质世界变化规律的“真正基石”，还为时过早。至于“最小纠缠或将取代对称性，成为新的指导原则”这样的命题，在逻辑上似难以成立；但至少可由此悟及，优雅宇宙对纠缠被压缩到最低限度的类经典状态有一种偏好，这对于如何改造物理理论抑或有所启迪。再者，量子纠缠及其最小化或最大化，纵然与对称之美截然不同，若其物理机制、物理图像被实验反复验证，则其别样的美学涵义终将作为未来更正确、更完善的新物理理论的重要标志。