量子力學(xué)的百年迷霧中，一個(gè)長期懸而未決的哲學(xué)命題再度成為焦點(diǎn)：波函數(shù)究竟是描述物理實(shí)在的數(shù)學(xué)工具，還是獨(dú)立存在的客觀實(shí)體？劍橋大學(xué)量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)近日通過IBM最新量子處理器完成的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，為這場持續(xù)近百年的爭論提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，結(jié)果似乎對愛因斯坦的“物理實(shí)在論”觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。

這場科學(xué)革命始于1900年普朗克對黑體輻射的研究。當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理無法解釋高溫物體發(fā)出的光譜分布，普朗克被迫假設(shè)能量以離散的“量子”形式存在，這一假設(shè)打破了牛頓力學(xué)中能量連續(xù)變化的傳統(tǒng)認(rèn)知。五年后，愛因斯坦將這一思想應(yīng)用于光電效應(yīng)，提出光不僅具有波動性，還以“光子”形式存在，每個(gè)光子的能量與其頻率成正比。這一理論雖然解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，卻也引發(fā)了物理學(xué)界對光本質(zhì)的激烈爭論：光究竟是波還是粒子？

進(jìn)入20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展期。1925年，海森堡提出矩陣力學(xué)，摒棄傳統(tǒng)的軌道概念，轉(zhuǎn)而用數(shù)學(xué)矩陣描述可觀測的物理量。次年，薛定諤提出波動力學(xué)，用波函數(shù)ψ描述粒子狀態(tài)，其模的平方|ψ|2給出粒子位置的概率分布。這種概率性的描述方式引發(fā)了新的爭議：量子世界是否真的具有隨機(jī)性？1927年，海森堡提出不確定性原理，指出粒子的位置和動量無法同時(shí)被精確測量，這一發(fā)現(xiàn)動搖了經(jīng)典物理中的因果決定論。

同年，玻爾在哥本哈根提出量子力學(xué)的詮釋框架：波函數(shù)代表粒子可能狀態(tài)的集合，只有在測量時(shí)才會“坍縮”為確定的實(shí)測值。這種觀點(diǎn)認(rèn)為，光子等微觀粒子既具有波動性又具有粒子性，具體表現(xiàn)取決于實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。然而，愛因斯坦對這種概率性的解釋并不滿意，他堅(jiān)持認(rèn)為物理世界應(yīng)該具有確定性，而非僅僅依賴于觀察者的測量行為。

1935年，愛因斯坦與波多爾斯基、羅森共同發(fā)表了著名的EPR論文，通過一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性。他們設(shè)想一對糾纏粒子，其總動量為零，當(dāng)測量其中一個(gè)粒子的位置時(shí)，另一個(gè)粒子的位置會瞬間確定，但量子力學(xué)認(rèn)為這種預(yù)知是不可能的。EPR三人認(rèn)為，這種現(xiàn)象表明量子力學(xué)存在缺陷，必須引入“隱藏變量”來補(bǔ)充其理論。這一觀點(diǎn)引發(fā)了物理學(xué)界的長期爭論，支持者認(rèn)為量子糾纏的“超距作用”違背了相對論的局域性原理。

1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾提出了貝爾不等式，為驗(yàn)證隱藏變量理論提供了實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。如果局部現(xiàn)實(shí)理論成立，實(shí)驗(yàn)結(jié)果必須滿足貝爾不等式；而量子力學(xué)則可能違反這一不等式。隨后的幾十年里，多個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通過測量糾纏粒子的自旋相關(guān)性，逐步驗(yàn)證了量子力學(xué)的預(yù)測。1982年，阿斯佩團(tuán)隊(duì)在巴黎完成的實(shí)驗(yàn)首次明確違反了貝爾不等式，1997年蔡林格團(tuán)隊(duì)通過光纖傳輸糾纏光子，進(jìn)一步確認(rèn)了量子非局域性的存在。

進(jìn)入21世紀(jì)，量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不斷深入。2012年，普西、巴雷特和魯?shù)婪蛱岢隽薖BR定理，該定理指出：如果波函數(shù)僅僅是觀察者對系統(tǒng)知識的反映，而非客觀存在的實(shí)體，那么在對獨(dú)立量子系統(tǒng)進(jìn)行特定測量時(shí)，將會出現(xiàn)與量子力學(xué)預(yù)測相矛盾的結(jié)果。這一理論為驗(yàn)證波函數(shù)的實(shí)在性提供了新的思路，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證面臨巨大挑戰(zhàn)——量子系統(tǒng)極易受到環(huán)境干擾，導(dǎo)致退相干現(xiàn)象。

2025年10月，劍橋大學(xué)宋清昊團(tuán)隊(duì)在arXiv預(yù)印本平臺公布了一項(xiàng)突破性成果。他們利用IBM Heron2 Marrakesh量子處理器，成功完成了PBR定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這款擁有156個(gè)超導(dǎo)比特的處理器通過可調(diào)耦合技術(shù)減少了噪聲干擾，團(tuán)隊(duì)精心選擇了比特對進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用微波脈沖控制量子態(tài)的演化，并通過糾纏門操作實(shí)現(xiàn)測量。盡管噪聲水平較高，但他們通過引入輔助比特進(jìn)行錯誤監(jiān)測，并篩選出可靠的數(shù)據(jù)，最終得到了清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量近距離比特對時(shí)，結(jié)果與量子力學(xué)預(yù)測高度一致；而隨著比特間距離的增加，測量精度逐漸下降。這一現(xiàn)象表明，量子處理器的物理布局對實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有重要影響。通過對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，團(tuán)隊(duì)未觀察到任何與量子力學(xué)預(yù)測相矛盾的結(jié)果，從而排除了波函數(shù)僅為觀察者知識的可能性，為波函數(shù)的實(shí)在性提供了實(shí)驗(yàn)支持。

這項(xiàng)研究不僅深化了人們對量子力學(xué)基礎(chǔ)的理解，還對量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了直接影響。PBR測試有望成為評估量子處理器性能的新基準(zhǔn)，傳統(tǒng)上主要關(guān)注運(yùn)算速度和保真度，而這一測試直接考察了量子疊加和糾纏的核心特性。IBM Heron系列量子處理器通過優(yōu)化比特排布，提升了遠(yuǎn)程操作的可靠性，為未來構(gòu)建大規(guī)模容錯量子計(jì)算機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

從哲學(xué)層面看，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對愛因斯坦的物理實(shí)在論觀點(diǎn)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。自EPR論文發(fā)表以來，愛因斯坦一直認(rèn)為量子力學(xué)的不確定性源于我們對微觀世界認(rèn)知的局限，而非世界本身的隨機(jī)性。然而，劍橋團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)表明，在小規(guī)模量子系統(tǒng)中，愛因斯坦所期望的“隱藏變量”似乎并不存在。當(dāng)然，這一結(jié)論是否適用于宏觀世界，仍需進(jìn)一步探索。