我们常常听老一辈的人说，种瓜得瓜种豆得豆。你今天得到的果，必定来自你昨天种下的因。

17世纪，牛顿提出绝对时空观，在他的观点中，空间是无限延伸的，时间就像一把开了弓的箭，一去不回头。此后，因果关系就成为了经典力学的基础。

但如果我告诉你，所谓的因果顺序根本是不存在的，不是过去决定了未来，而是未来决定了过去。不仅如此，瞬移、穿越、改变历史、预言未来都不是科幻，而是可以被实现的。

你会不会觉得我疯了？再下结论之前，先来听听今天的故事。

我们把时间推回到大约350年前，1678 年, 法国科学院里的一次激情演讲，引发了一场此后持续300多年的著名争论——“波粒之争”。

演讲者是，荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安.惠更斯（Christiaan Huygens），而这场争论的主题是“光究竟是什么”。当时大家都知道光很奇妙，它照亮了人们眼中多彩的世界，但却摸不到，没有气味也没有重量。

它就像凭空诞生一样，可以一下子充满整个空间。很长一段时间里，“光的本质”都是困扰着科学家们的一个难题。

这场关于光的激烈争论，分为了以牛顿为代表的“粒子派”和以惠更斯为代表的“波派”。牛顿认为光就是一种微粒流，光子可以被想象成一颗颗光滑的小球，从光源飞出，笔直地射向远方。但惠更斯却对牛顿的“微粒说”持反对意。

他认为，“微粒说”在解释光的干涉、衍射等现象时极为勉强，于是便提出了光的“波动说”，认为光实际上和水波、声波一样，是一种机械波。

这就是1678年，惠更斯在在法国科学院的那次演讲的主要内容。

1690年，惠更斯还出版了《光论》一书，详细阐述他的理论。惠更斯的简历虽然牛X，但抵不住牛顿当时已经物理学界封神的人物了，所以绝大多数学者都选择追随牛顿，这使得“粒派”在整个18世纪的争论中占尽上风。波粒之战的第一轮，“粒派”完胜。

时间来到了19世纪初，1807年，事情出现了一个转折。著名的科学家托马斯·杨（Thomas Young）设计了一款实验，来验证光究竟是粒子，还是波，这就是双缝干涉实验的最初版本，杨氏双缝干涉。

要说这托马斯.样简历也非常硬核，他的跨界能力简直让人匪夷所思，精通力学、数学、光学、声学、流体动力学、船舶工程、潮汐理论，还涉猎语言学、动物学、考古学、文字学。同时，他还是一个擅长骑马和耍杂技走钢丝的医生。

老杨被誉为“这个世界上最后一个什么都知道的人”，这样的评价对他来说也决不为过。

老杨设计的杨氏双缝干涉实验很巧妙，他用经过一个小孔的光作为点光源，再让点光源发出的光穿过两道平行狭缝后，投射到屏幕上。

如果光是粒子，那么光子就会像机枪发射出的子弹一样笔直地从两条狭缝中穿过，屏幕上留下的一定是两道光斑。但如果光是波，那么光穿过两道狭缝时，会形成 2 个波源。

他们震荡交汇，和水面上的涟漪类似，波峰与波峰之间强度叠加，波峰与波谷之间正反抵消，最终屏幕上会出现一道道的斑马线，也就是我们所说的干涉条纹。

实验结果是，斑马线出现了。老杨的实验给科学界带来了很大的冲击，也是惠更斯早年提出的光的波动理论的最好证明。波粒之战的第二局，“波派”胜。

如今我们都知道了，这两派谁都没说错，光既是波，也是粒子，这就是光的“波粒二象性”，是由法国物理学家路易.德布罗意（Louis de Broglie）在1924年提出的。

不仅仅是光子，自然界所有的粒子或者量子，比如电子、原子都同时具有波和粒子的双重性质。至于什么时候是波，什么时候是粒子，我们稍后再说。

老杨于1829年去世了，但他万万没有想到，此后的几百年里，科学同僚们拿着他的版权，对他的实验进行了各种二次创作，每一次都产生了意想不到的灵异效果。

1909年，英国物理学家杰弗里.泰勒爵士（Geoffrey Taylor）对杨氏双缝干涉实验进行了改进，他极大的降低了实验光源的强度，使得光源每一次只能发出一个光子，可以把这个想象成光子机枪的点射模式。

由于光子是一个一个发出的，实验进行的很慢，隔了很长一段时间后，泰勒再去看屏幕，结果意想不到的一幕出现了：屏幕上依然产生了干涉条纹。

等一下！我们明明是一个一个把光子发射出去的啊！单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝，它是怎么，又是和谁发生干涉的呢？难道光子是孙悟空，还会分身？不但分身了，还能跟自己的分身发生关系？

为了搞清楚单个光子是如何跟自己发生干涉的，科学家们提出了一个想法：能不能在双缝板前面加上一个观测摄像头，看看每一个光子到底是从左边，还是从右边通过的。这个想法是简单直接，然而实验结果却是让人惊掉了下巴。

科学家们从双缝板前加装的摄像头中看到，光子就是一个一个通过双缝的，要么穿过左边，要么穿过右边，从来没有出现一个光子分身成两个的情况。

也就是说，光子可能是在穿过双缝的一瞬间出现了波的特性，产生了干涉条纹。虽然诡异了些，但是光子不是有波粒二象性。

就在众科学家准备松一口气的时候，有人看了一眼屏幕，结果吓傻了：干涉条纹不见了，屏幕上的图案不知道什么时候变成了两道竖杠！

摄像头关闭，光子就呈现出波的特性，干涉条纹出现。摄像头打开，光子就老老实实的显示出粒子性，干涉条纹消失。屡试不爽。

合着光就是粒子还是波，取决与你开没开摄像头？这就相当于你在家看一场球赛，你支持的球队有没有进球，不取决于前锋的球技，也不取决于对方守门员的状态，而是取决于你开没开电视。

这让我想起来，高中在学校上晚自习。只要老师不再，大家聊天的聊天，吃东西的吃东西，看小说的看小说，但老师推门的一瞬间班里立刻安静下来，看到的都是埋头苦学的好学生。

这就是，观察者魔咒。这么玄学的故事竟然出现了严谨的物理学实验当中，当时科学家们的懵逼程度可想而知，但更让人懵逼的事情还在后面。

到了上个世纪七八十年代，物理学家的兴致被光子给调动起来了。1979年，美国理论物理学家约翰.惠勒（John Wheeler）提出了惠勒延迟选择实验（Wheeler’s delayed choice experiment）。

此实验实际上是双缝实验的一种变形，内容比较复杂，会使用到半反半透镜，让光子有50%的概率穿过透镜，也有50%的概率被反射到其他方向。

还有两个全反镜来改变光子的路径，在每条路径上架一台观测摄像机。

详细的实验过程虽然烧脑，但大致可以这样理解。之前的双缝实验中，摄像机是架在双缝板前面的，而且要么是开的，要么是关的。

这次我把摄像机放在双缝板后面，也就是双缝板和屏幕之前，而且是在光子穿过双缝之后，再以迅雷不及掩耳之势临时决定开还是不开摄像机。

科学家心里打的小算盘是：光子你路都走了一半了，我再突然决定观察还是不观察你，难不成你还能突然改变你的波粒性质吗？

事实证明，科学家们的这点小九九在光子面前不堪一击。只要摄像头打开了，哪怕是在光子抵达屏幕前的最后一刻，屏幕上一定是两条杠。相反的，只要摄像头没有打开，屏幕上就一定是干涉条纹。

值得一提的一点是，这里开不开摄像头是在光子已经穿过双缝之后再决定的，也就是说光子是以粒子的形态，还是以波的形态穿过双缝，在开摄像头之前应该已经定型了，可为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化呢？

这似乎表明了两种诡异的可能性：第一，光子好像能预测摄像头在未来是否会开启。又或者第二，光子能够根据未来所遇到的情况，修改自己的历史选择。

传统的因果定律受到了极大的挑战，惠勒的延迟选择实验诉说了一个恐怖的结论，“未来可以决定过去”。换种高逼格的说法就是：是我们选择了这个宇宙，之后宇宙才创造了我们。

时间来到了1999年，这一年由Kim等人提出的“延迟选择量子擦除实验”直接把物理学家们的三观都震碎了。

延迟擦除实验中用了一个关键设备叫做BBO晶体，它的作用是吸收一个光子，并产生一对能量减半的孪生纠缠光子。

关于量子纠缠我们稍后再说，现在只需要知道处于纠缠状态的两个粒子，即使相隔数光年之遥，他们也能够相互联系，就像一对双胞胎具有“心灵感应”一样。

两个纠缠的光子分别射向不同的方向。一个射向屏幕，我们称之为信号光子（signal photon）。一个经过一系列反射，会达到D1或者D2两个探测摄像头中的一个，我们称之为“影光子”或者标记光子（idler photon）。

因为信号光子和标记光子来源相同，所以我们只要知道标记光子是穿过了哪条缝隙，就相当于知道了信号光子的路径。

和之前的实验一样，光子一个一个的发射出来，探测摄像头开启，标记光子要么沿着蓝色路径，被探测摄像头D1捕捉到。要么沿着红色路径，被探测摄像头D2捕捉到。

信号光子也知道我们在追踪它的分身，所以屏幕上不会出现干涉条纹。

接下来有意思的事情出现了，如果我们在两条路径的交汇处添加一个半反半透镜，那么标记光子就有50%的概率沿原路穿过透镜，也有50%的概率被反射到另外一个路径。

也就是说这个半反半透镜把我们原本已经捕捉到的路径信息给擦除掉了。不出所料，屏幕上干涉条纹再次显现。

但这里的重点是，标记光子的路径设计的要比信号光子的路径长得多。有时候信号光子已经投射到了屏幕上，可标记光子可能还没有到达半反半透镜。

但这并不妨碍它们准确判断，我们究竟是要观察它们的路径信息，还是要擦除它们的路径信息。

如果你觉得这个实验难以理解，打个形象的比喻。信号光子就像是收到了来自未来的标记光子的信息，要么说：喂！他们没有在观察我们，放心波动吧。或者是：嘿！他们在看我们呢，乖乖做个粒子吧！

这样的实验结果不但用科学理论难以解释，就算搬出来玄学都不好自圆其说。

此时的托马斯.杨可能正在坟墓里悄悄叹息说，哎，我好端端的一个实验让你们瞎升级，现在都捣鼓蒙了吧？

物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在逐步崩塌。但其实量子魔法时代的大幕这才刚刚拉开。

20世纪初，丹麦首都哥本哈根，一个年轻的足球门将，在比赛途中，不专心守门，却倚在门柱边思考数学问题。

比赛结束后，教练发现门柱上被写满了各种公式，一气之下，把这位主力门将踢到后补去了。这位门将便是后来著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。

玻尔从小就是俗称的“别人家的孩子”，26岁博士毕业，29岁当教授，37岁获得诺贝尔物理学奖。

在运动方面还天赋异禀，甚至在他获得诺奖时，丹麦当地报纸采用的标题都是《著名足球运动员尼尔斯·玻尔被授予诺贝尔奖》。

1920年，玻尔一心筹建的哥本哈根理论物理研究所，也就是玻尔研究所，终于落成。研究所刚刚建成不久，便吸引了无数青年才俊。

海森堡（Werner Heisenberg）、狄拉克（Paul Dirac）、泡利（Wolfgang Pauli）、朗道（Lev Landau）等世界知名物理学家都曾来到这里进行学术研究。

在双缝干涉实验不断诡异升级的同时，以玻尔和海森堡为代表的的哥本哈根学派对量子世界进行了总结，提出了至今也被量子力学教课书标榜为“正统理论”的哥本哈根诠释。

哥本哈根诠释为量子系统里的量子行为做出了一个精简又易懂的解释，它包含了几个主要内容：

第一， 与宏观世界不同，在量子世界里，一切事物，原子、电子、光子可以同时处于不同的叠加状态，各种可能性并存。就比如说双缝干涉实验中的光子，是波同时也是粒子。

第二， 叠加态是不可能被精准测量的。量子系统中，一个粒子的位置和动量无法同时被确定，位置测量的越精确，动量就模糊。

这就是量子力学中的“测不准原理”或者叫“不确定原理”。这个“测不准”并不因为目前科技还不发达，仪器精度还不够，而是由量子世界的本质所决定的。

第三， 虽然量子世界的一切事物都处于叠加的状态，但作为观察者的我们是不可能看到不同状态并存的粒子的。

所以在观察这个动作之后，叠加态就会「坍缩」为一个确定无疑的结果。至于会「坍缩」为叠加态中的哪个态，是一个概率问题。

如此一来，双缝干涉实验这个灵异故事似乎就有了一个完美的解释。可是哥本哈根诠释却无法说服以爱因斯坦和薛定谔为代表另一波物理界大咖们。

1927 年第五届索尔维国际研究会上，爱因斯坦始终无法接受这种基于概率性和不确定性的量子理论，为了反驳玻尔，他说出了那句著名的话：玻尔，上帝不掷骰子！

玻尔也毫不客气的回怼过去：爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！

这场研究会绝对称的上是前无古人后无来者的物理学盛宴，参会的 29 人中有 17 人获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦扛着相对论大旗，玻尔高举他的“氢原子模型”，海森堡和他的同窗好友泡利形影不离，两人分别握着“不确定原理”和“不相容原理”，薛定谔挎着他的“方程”，身后还藏了一只不死不活的“猫”。后来有人将这场研究会形象的比喻成“神仙打架”。

薛定谔身后藏得那只不死不活的猫原本就是为了声援爱因斯坦，反驳哥本哈根诠释所举的一个他自认为荒诞至极的例子。

把一只猫，一瓶毒药，和一个放射性原子关在一个密封的箱子里。放射性原子如果衰变，就会触发机关，毒药玻璃瓶被砸碎，释放出有毒气体，将猫毒死。

相反，如果放射性原子不衰变，猫则安然无恙。

薛定谔的猫高明之处就在于，把量子世界和宏观世界巧妙的绑定在了一起。

原子衰变是属于微观世界吧。按照玻尔的理论，打开箱子之前，原子是的处于「衰变」和「没衰变」的叠加态的，那是不是意味着猫也处于「死」和「没死」的叠加态呢？

在我们打开箱子的一瞬间才坍缩成一只死猫或者活猫？再往深了说，猫的死活取决于观测者的意识？

薛定谔肯定没有想到，当初自己提出的这个用来反驳哥本哈根学说、自认为与现实格格不入的思想实验，却被后世不少人误认为是“概率诠释”的一个经典论点。

不仅如此，这只猫还引发了一场空前的唯物主义、唯心主义大辩论。

相传爱因斯坦和玻尔有一次在月光下讨论量子力学，爱因斯坦调侃态玻尔说：我们看月亮时，月亮在天上；我们不看月亮时，月亮就跑到了宇宙的任何一个地方。

爱因斯坦的这句调侃和500多年前，明代哲学家王阳明的一句名言如出一辙：你未看此花时，此花与汝心同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来。”

大主教乔治.贝克莱(George Berkeley)也说过“存在即是被感知”。过去，科学家们只把这当成哲学上的唯心梦呓，科学研究的应该是 “可实证”的现实世界。

可如今，薛定谔的猫似乎在说，宇宙的样貌取决于观测者的意志，难道我们竟然处于一个唯心的世界里？

20世纪50年代，美国量子物理学家休.艾弗雷特三世（Hugh Everett III）甚至提出了另一个革命性的观点，他认为之所以会遇到“薛定谔的猫”这种悖论，那是因为在观测的一瞬间，我们的宇宙分裂成了许多个，在某些宇宙里面猫死了，某些宇宙里面猫还活着。

平行宇宙、量子力学，这再往下说，就是另外一个故事了，我们有机会在展开吧。

回到爱因斯坦与玻尔的相爱相杀。1935年，在一轮又一轮的唇枪舌战中屡屡败下阵来的爱因斯坦，拉上了自己的两位同事鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森，合著了一篇论文，提出了EPR 悖论。

E、P、R这三个英文字母分别是爱因斯坦、波多尔斯基和罗森姓氏的首字母，而EPR 悖论就是那只量子力学中大名鼎鼎的把爱因斯坦逼疯的幽灵。

EPR 悖论的中心思想是这样的：假设有一个不稳定的大粒子衰变成了A、B两个小粒子，那么A、B的自旋的方向将是相反的。

A如果向上，B就一定向下，以此来保证两个粒子的总自旋为零。因为是由一个母粒子分裂而来的，A、B两个粒子的命运将紧密相连，牵一发则动全身。

现在我们将A和B分别放置在两个相距遥远的地方，比如A在地球上，B在月球上。

按照玻尔等人对量子力学的解释，每个粒子的自旋方向在观测之前是不确定的，一半概率向上，一半概率向下。

但如果地球上的粒子A被观测后发现，其自旋是向下的，那么月球上的粒子B必定会向上自旋。

换句话说，地球上的A未测量时，月球上的B只有一半概率向上，但地球上的A一旦被测量，月球上B的状态就确定了。

月球上B的状态似乎是瞬时的被地球上A所控制的，而且这种控制行为是以超光速的方式发生的。但根据相对论，“超光速”行为是绝对不可能出现的。

别说超光速了，接近光速都会导致时空扭曲。爱因斯坦将A控制B的行为比喻成“幽灵般的超距作用”。

哥本哈根学派的量子力学理论创造出了这个不可能存在的“幽灵”，由此可见用此理论来描述真实的世界是不完备的，需要引入一个量子体系之外的新的参数，爱因斯坦将其称为“隐参数”，毫不夸张的说，爱因斯坦的后半生都在寻找这个隐参数。

薛定谔看了爱因斯坦等三位大神提出的EPR 悖论，拍手称奇，顺便给A、B两个粒子起了一个非常性感的名字：量子纠缠。

是量子纠缠错了，还是相对论错了，这在爱因斯坦哪儿甚至都算不上一个问题。

如今大半个世纪过去了，爱因斯坦早已去世，让后世没有想到的是这位物理界奇才也有被打脸的时候。

1995年，美国马里兰大学的华裔物理学家史砚华（Yanhua Shih）带领团队设计了一项有趣的实验，后来被称为“幽灵成像”的实验。实验的原理通俗易懂，但结果却非常震撼。

简单来说，就是让两个互为纠缠的红蓝光子经过偏振器分别射向不同的方向。红光子穿过狭缝在屏幕上投射出一定的图案，蓝光子不穿过狭缝正常走，可结果依然在屏幕上投射除了与红光子相同的图案！

「幽灵成像」实验是量子纠缠绝非幻想的最直观的体现。很难想象，如果这个实验早半个世纪做出来，看到实验结果的爱因斯坦会作何感想。

事实上，早在「幽灵成像」实验之前，1964年，欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家约翰.贝尔就提出了“贝尔不等式”，将EPR 悖论转化为了一个可以被验证的公式。

贝尔不等式成立，爱因斯坦所说的隐参数存在；贝尔不等式不成立，则隐参数不存在。

1982年，法国物理学家阿兹派克特（Aspect）第一个成功验证了贝尔不等式不成立，把爱因斯坦逼疯的幽灵般的超距作用是真实存在的！

说到这儿，可能会有人觉得，爱因斯坦是不是反对量子力学，其实并不是。

他早年提出的光电效应对早期量子理论的建立还做出过关键性的贡献，只是他终其一生都无法接受量子力学呈现出的怪诞结论。

众所周知，爱因斯坦在26岁时就提出狭义相对论，轰动世界。36岁时，完成了广义相对论，功成名就。

但很少有人知道，此后40年的悠长岁月里，爱因斯坦都在纠结一件事，量子力学。他曾经说过：我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。

这点与爱因斯坦争论了数十年的玻尔也有相同的看法，玻尔说：如果有人不对量子力学感到困惑，那只能说明他不懂量子力学。

有人说，这么高深的理论，离我们日常生活又这么远，普通人用不着明白。可量子力学真的离我们的日常生活很远吗？

2019年，谷歌在《Nature》杂志上发表论文，高调宣布他们研发的53个量子比特的量子计算机“悬铃木”已经率先实现了“量子霸权”，一把把量子计算推入了公众视野，一石激起千层浪。

传统超级计算机需要1万年处理的问题，量子计算机可以在200秒内完成。

2020年底，由中国量子通信第一人潘建伟所带领的团队构建的量子计算「九章」问世，挑战了谷歌的“量子霸权”，实现算力全球领先。

量子霸权乍听之下好像跟政治有关，但其实这是一个科学术语，指的是量子计算拥有的超越所有经典计算机的超级计算能力。

我们知道传统计算机中，信息量的基本单位是比特，它只能取0 或1 中的一个值。而在量子计算机中，信息量的基本单位为量子比特，它可以同时是0又是1，因为叠加态就是量子世界的常态。

那么一个基本的逻辑运算，如果x=0，运行a指令；如果x=1，运行b指令。在传统计算机中，需要计算两次。而在有1个量子比特的量子计算机中，只需要计算一次。

If X = 1, run a;If X = 0, run b;

如果把if语句扩展为四种可能性，传统计算机需要计算4次。但在有2个量子比特的量子计算机中，还是只需要计算一次。

If X = 00, run a;If X = 01, run b;

If X = 10, run c;

If X = 11, run d;

以此类推，如果把量子比特增加到10个，那么传统中计算机需要进行 2^10=1024 次的计算，量子计算机还是只需要算一次。

那如果把量子比特增加到100个呢？此时量子计算机的算力将是无法想象的。

在未来如果量子计算机能够大规模商用，医药、金融、人工智能、 航天航空、交通运输等领域将会发生翻天覆地的变化。

《黑镜》将不再是科幻电影，人工智能终将统治人类的诅咒也可能会在一夜之间到来，地球的未来可能属于硅基。

与此同时，当计算不再是问题时，信息安全就成了问题。以目前常被用于保护我们“电子钱包”的RSA密钥为例。

要想破解RSA加密的密钥，就要用暴力拆解的方法把一个超级大的数字分解成两个质数的乘积，这个超级大的数字可能高达1024位，那么即使是用超级计算机也要破解几十年。

可是量子计算机就不同了，别说1024位的密钥了，破解2048位的密钥也就需要几秒钟！

那么以后我们该如何保护我们那本来就没几个钱的钱包和羞于见人的小秘密呢？答案是“以子之矛，攻子之盾”。

量子加密便是量子计算机也无法攻破的安全之“盾”。它是一种不可窃听、不可破译、无条件绝对安全的通信加密方式。

量子加密通信时，量子卫星会发送一对完全随机且只有通信双方知道的量子密钥，密钥中每对量子都处于“纠缠”状态。利用获得的量子密钥，发送方会把信息加密变成一段密文，接收方则用密钥解密。

因为「观察者效应」和「测不准原理」，量子密钥一旦被截获，信号本身便会发生变化，导致密钥接收方收到的信号乱码大增，从而暴露了窃听者自身的存在，可以说是“偷鸡不成蚀把米”。

这就是为什么即使广大民众都高呼「看不懂」，是“骗局”的同时，各国政府依然不惜砸重金开展量子计算和量子通信项目。

2015年，英国正式启动“国家量子技术计划”（国家量子技术计划），目前已累计投资超过5亿英镑。

2018年，德国联邦政府通过了《量子技术：从基础到市场》计划，投入6.5亿欧元促进量子技术的发展与应用。

同一年，美国通过了《国家量子行动计划(NQI)》法案，计划在四年内为量子信息科学领域增加投资12.75亿美元。

2016年8月16日，中国发射了世界上第一颗量子通信卫星“墨子号”，耗资1亿美金。

次年9月，世界首条量子保密通信干线，“京沪干线”正式开通，传输距离达2000多公里，途径北京上海等多个城市，网络密钥分发量可以支持1.2万以上的用户同时使用。

虽然目前我们对于量子世界的研究，可能连窥得冰山一角都算不上，但是要知道1901年12月12日，意大利无线电工程师伽利尔摩.马可尼(Marchese Guglielmo Marconi)收到人类历史上第一个横跨大西洋的无线电信号时，绝对没有人会想到，在接来下的100多年里，无线电通信创造了怎样的一个新世界。如今，量子世界的魔法大门已经缓缓打开，等待我们的又将是怎样的一个未来呢？