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北京時間10月4日下午5點(diǎn)45分，物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John F. Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger），一同被瑞典皇家科學(xué)院授予了 2022 年度諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們“通過光子糾纏的一系列實(shí)驗(yàn)，打破了貝爾不等式的限制，并開創(chuàng)了量子信息的研究領(lǐng)域”。
這三位頂級科學(xué)家中，阿蘭·阿斯佩來自法國，目前任教于巴黎-薩克雷大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院；約翰·克勞澤來自美國，目前就職于自己在灣區(qū)核桃溪市創(chuàng)辦的一家公司；安東·塞林格是奧地利維也納大學(xué)的一名教授。他們?nèi)藢⑵椒?1000 萬瑞典克朗（約合人民幣 650 萬元）的獎金。
那么，量子糾纏指的是什么？貝爾不等式的意義何在？三位諾獎得主分別做出了什么貢獻(xiàn)？本文將用通俗語言嘗試回答這些問題。
關(guān)于量子糾纏與 EPR 佯謬 “量子糾纏（Quantum Entanglement）”這一術(shù)語最早由埃爾溫·薛定諤提出，他稱之為量子力學(xué)最重要的特征。用物理的語言來說，對于一個處于糾纏態(tài)的多粒子系統(tǒng)，其量子態(tài)函數(shù)不能分解成各個部分的量子態(tài)的乘積。通俗的講，量子糾纏指的是在空間上分開的兩個或多個粒子，由于某種相互作用，使得各個粒子所擁有的信息或物理性質(zhì)成為了整體特性而無法分離。
舉例來說，單個電子隨機(jī)地具有兩種可能的自旋模式，即所謂的“向上”或“向下”，而處于糾纏態(tài)的電子對（例如氦原子核外的電子），無法做到只測量其中一個電子的自旋而不影響另一個，即單個電子的量子態(tài)無法從整體中剝離而不造成其他影響。
圖 | 兩粒子的量子糾纏概念圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
根據(jù)量子理論，當(dāng)觀測者對糾纏態(tài)的電子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量時，如果其中一個電子的測量結(jié)果（隨機(jī)地）呈現(xiàn)自旋向上，那么另一個電子立刻變成（確定地）自旋向下，即使沒有人在測量它，反之亦然。而且這個現(xiàn)象跟兩個電子的距離無關(guān)！換句話說，即使兩個電子分別位于銀河系的兩端，只要測量了其中一個的自旋，另一個的自旋狀態(tài)就確定了，即一個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以立刻影響另一個的結(jié)果。
但問題是，一個電子如何瞬間獲知遙遠(yuǎn)的另一個電子的自旋狀態(tài)，從而選擇讓自身的自旋保持相反呢？他們之間是否能夠通過某種超距作用（即傳播速度無窮大的相互作用）傳遞信息？如果承認(rèn)這種“幽靈般的”超距作用的存在，就違背了狹義相對論的時空觀。這就是著名的 EPR 佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox）核心思想所在。
愛因斯坦等人試圖利用該佯謬否定量子力學(xué)的完備性，進(jìn)而提出了一種稱為隱變量理論的量子力學(xué)的替代描述，其基本思想是：量子體系中存在某種隱藏變量，實(shí)驗(yàn)觀測的結(jié)果能夠由該隱藏變量決定，而非量子力學(xué)描述的那樣隨機(jī)出現(xiàn)。
關(guān)于貝爾不等式和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 量子力學(xué)提出，糾纏態(tài)量子體系中的各部分在實(shí)驗(yàn)測量之前不存在確定的可觀測性質(zhì)，而隱變量理論指出，存在某種隱藏屬性使得我們可以在實(shí)驗(yàn)測量之前就確定測量結(jié)果。雙方爭執(zhí)不下，誰也說服不了誰，直到貝爾不等式的出現(xiàn)。
圖 | 量子理論與隱變量理論的區(qū)別示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
約翰·貝爾基于隱變量理論，于 1964 年提出了后來以他名字命名的著名不等式。該不等式指出，對于任意的定域?qū)嵲诶碚摚ň幷咦ⅲ核^的“定域?qū)嵲凇笨梢岳斫鉃�，一個微觀粒子只在空間局部具備其物理特性并決定任意測量操作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果），粒子間的某種相關(guān)函數(shù)的值不會超過一個固定上限。貝爾提出了一個可以驗(yàn)證該不等式的思想實(shí)驗(yàn)，并且證明了量子理論一定會違反這個不等式。
接下來就輪到今年三位諾獎得主之一的約翰·克勞澤出場了。
由于貝爾考慮實(shí)驗(yàn)時對探測器采取的一些假設(shè)很難得到驗(yàn)證，因此他提出的原始思想實(shí)驗(yàn)并不適合進(jìn)行實(shí)際測試。直到1969年，克勞澤及其合作者對貝爾不等式進(jìn)行了改進(jìn)，使得其容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并提出了一種實(shí)驗(yàn)裝置（示意圖如下圖）。
圖 | 克勞澤提出的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
在該實(shí)驗(yàn)中，光源 S 持續(xù)產(chǎn)生向相反方向傳播的、處于偏振糾纏態(tài)的光子對，Alice 和 Bob（編者注：這兩個名字廣泛用于量子信息領(lǐng)域，指代兩個觀測者）分別利用特定的探測器觀測光子的偏振態(tài)，并統(tǒng)計(jì)得到觀測結(jié)果的關(guān)聯(lián)函數(shù)�？藙跐砂l(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果超過了貝爾不等式給出的關(guān)聯(lián)函數(shù)的上限，因而該實(shí)驗(yàn)是對隱變量理論的否定。
然而，克勞澤的實(shí)驗(yàn)裝置存在所謂的“定域性漏洞”，無法排除Alice和Bob之間存在信息交流的可能。這也給了阿蘭·阿斯佩（即今年第二位物理諾獎得主）大顯身手的余地。
1982 年，阿斯佩等人改進(jìn)了克勞澤的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，區(qū)別在于新的實(shí)驗(yàn)裝置能夠更頻繁的發(fā)射糾纏光子對，并且偏振測量裝置可以在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)調(diào)整，因而部分地修補(bǔ)了定域性漏洞。他們發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然違反貝爾不等式。
在 1998 年和 2015 年，安東·塞林格團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完善了貝爾定理實(shí)驗(yàn)，先是徹底消除了定域性漏洞（因?yàn)榘⑺古宓膶?shí)驗(yàn)裝置仍然無法排除 Alice 和 Bob 距離太近造成的關(guān)聯(lián)），而后實(shí)現(xiàn)了無漏洞的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果均與量子力學(xué)的預(yù)測一致，為隱變量理論和量子理論之爭畫下了句號。
此后多年，塞林格團(tuán)隊(duì)利用糾纏態(tài)的光子進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)，并且還利用量子糾纏特性展示了“量子隱形傳態(tài)”和“量子糾纏交換”等奇特現(xiàn)象。在“糾纏交換”實(shí)驗(yàn)中，塞林格團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在兩對不相關(guān)的糾纏態(tài)粒子對中，如下圖中的 1-2 和 3-4，如果能讓 2 與 3 糾纏，則1與4也會自發(fā)處于糾纏態(tài)。
圖 | 量子糾纏交換現(xiàn)象的示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
塞林格通過一系列的這些實(shí)驗(yàn)，從原理上驗(yàn)證了對量子態(tài)進(jìn)行傳輸?shù)目赡苄裕_創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科領(lǐng)域。 | 
發(fā)表于 2022-10-8 16:12:58
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