瑞典當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年10月4日11時(shí)45分（北京時(shí)間10月4日17時(shí)45分），諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將2022年物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給法國(guó)物理學(xué)家Alain Aspect、美國(guó)物理學(xué)家John F. Clauser、奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger以表彰“用糾纏光子驗(yàn)證了量子不遵循貝爾不等式，開創(chuàng)了量子信息學(xué)”。

諾獎(jiǎng)委員會(huì)在其官方介紹中稱，量子力學(xué)現(xiàn)在已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席Anders Irb?ck說：“越來越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問題”。

北京計(jì)算科學(xué)研究中心教授薛鵬提前猜中了今年的獲獎(jiǎng)?wù)?，她向“返樸”表示，這三位獲獎(jiǎng)?wù)邔?shí)至名歸。下文是薛教授對(duì)今年獲獎(jiǎng)工作的科普介紹。

撰文 | 薛鵬

在2010年，法國(guó)的阿蘭·艾斯佩特（Alain Aspect）、美國(guó)的約翰·柯羅瑟（John Clauser）、和奧地利的安東·吉林哲（Anton Zeilinger）三位物理學(xué)家“因其在量子物理學(xué)基礎(chǔ)上的基本概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)，特別是一系列日益復(fù)雜的貝爾不等式測(cè)試，而獲得沃爾夫獎(jiǎng)（Wolf Prize）”。

美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)旗下科普網(wǎng)站Inside Science于2019，2020，2021連續(xù)三年預(yù)測(cè)該三位物理學(xué)家獎(jiǎng)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛因斯坦認(rèn)為量子糾纏這種超距相互作用是不可思議的，違背了狹義相對(duì)論。與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，就是著名的EPR佯謬。描述了A、B為自旋1/2的粒子，初始總自旋為零。假設(shè)粒子有兩種可能的自旋，分別是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋為 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持總體守恒，反之亦然。這時(shí)我們說，這兩個(gè)粒子構(gòu)成了量子糾纏態(tài)。

兩個(gè)粒子 A 和 B 朝相反方向飛奔，它們相距越來越遠(yuǎn)，越來越遠(yuǎn)……。無論相距多遠(yuǎn)，它們應(yīng)該永遠(yuǎn)是 |上>|下> 關(guān)聯(lián)的。兩邊分別由觀察者 Alice 和 Bob 對(duì)兩個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)量子力學(xué)的說法，只要Alice 和Bob 還沒有進(jìn)行測(cè)量，每一個(gè)粒子都應(yīng)該處于某種疊加態(tài)，比如說，|上>、|下> 各為 50% 概率的疊加態(tài)。然后，如果 Alice 對(duì) A 進(jìn)行測(cè)量，A 的疊加態(tài)便在一瞬間坍縮了，比如，坍縮成了 |上>。現(xiàn)在，問題就來了：既然 Alice 已經(jīng)測(cè)量到 A 為 |上>，因?yàn)槭睾愕木壒?，B 就一定要為 |下>。但是，此時(shí)的 A 和 B 之間已經(jīng)相隔非常遙遠(yuǎn)，比如說幾萬光年吧，按照量子力學(xué)的理論，B 也應(yīng)該是|上>和|下>各一半的概率，為什么它能夠做到總是選擇|下>呢？除非A 粒子和B粒子之間有某種方式及時(shí)地“互通消息”？即使假設(shè)它們能夠互相感知，那也似乎是一種超距瞬時(shí)的信號(hào)！而這超距作用又是與相對(duì)論中光速不可超越相違背。于是，這就構(gòu)成了佯謬。

處在糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子之間的關(guān)聯(lián)性，與粒子之間的距離無關(guān)；可以同時(shí)測(cè)量，也可延遲測(cè)量，即超光速的；與空間環(huán)境無關(guān)，電磁屏蔽、引力屏蔽等都無法阻擋它們的關(guān)聯(lián)。

愛因斯坦這一方認(rèn)為這種現(xiàn)象是絕不會(huì)出現(xiàn)的，把這種現(xiàn)象稱為幽靈般的超距作用，問題源于“量子力學(xué)是不完備的”。

而玻爾認(rèn)為量子世界是非局域的，這個(gè)超距離作用必定存在，量子力學(xué)是完備的。

因此他認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的，他希望建立一個(gè)更普適的局域?qū)嵲谡摾碚搧韽浹a(bǔ)量子理論的不足，消除超距作用。作為愛因斯坦思想的繼承人，玻姆在1952年在引入了 “隱變量”，在局域?qū)嵲谡摰幕A(chǔ)上形成了一個(gè)完全決定性的理論——局域隱變量理論。下面就是要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證究竟是量子力學(xué)理論正確且完備還是局域隱變量理論正確且完備。

而貝爾定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，旨在測(cè)試量子力學(xué)理論與局域隱變量理論哪個(gè)正確。1964年，John Bell定義了一個(gè)可觀測(cè)量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的測(cè)量值都不大

意味著局域隱變量理論是錯(cuò)誤的。

貝爾不等式的誕生，宣告了量子力學(xué)理論的局域性爭(zhēng)議，從帶哲學(xué)色彩純粹思辨變?yōu)閷?shí)驗(yàn)可證偽的科學(xué)理論。雖然貝爾作為一個(gè)愛因斯坦的追隨者，其研究隱變量理論的初衷是要證明量子力學(xué)的非局域性有誤，可后來所有的實(shí)驗(yàn)都表明局域隱變量理論預(yù)言有誤，而量子理論的預(yù)言與實(shí)驗(yàn)一致。

1969年，當(dāng)時(shí)還是哥倫比亞大學(xué)研究生的John Clauser，和Michael Horne、Abner Shimony和Richard Holt一起，通過現(xiàn)在被稱為Clauser - Horn - Shimony - Holt (CHSH)不等式，將貝爾1964年的數(shù)學(xué)定理轉(zhuǎn)化為一個(gè)非常具體的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)。

1972年，John Clauser已經(jīng)是博士后研究員了，他和研究生Stuart Freedman第一個(gè)用實(shí)驗(yàn)證明了兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的粒子可以糾纏在一起。John Clauser繼續(xù)進(jìn)行了另外三個(gè)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試量子力學(xué)和糾纏的基礎(chǔ)，每個(gè)新的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)和擴(kuò)展了他的結(jié)果。Freedman–Clauser實(shí)驗(yàn)是對(duì)CHSH不等式的第一個(gè)檢驗(yàn)，它已經(jīng)在世界各地的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)百次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以證實(shí)量子糾纏的真實(shí)性。因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之間距離太小，不足以說明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有說服力。

1982年，Alan Aspect等人在巴黎第十一大學(xué)改進(jìn)Clauser和Freedman貝爾定理實(shí)驗(yàn)，利用在鈣離子級(jí)聯(lián)輻射出的光子對(duì)之間的偏振態(tài)的糾纏，實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反貝爾定理。

1998年，Anton Zeilinger等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成貝爾定理實(shí)驗(yàn)，徹底排除定域性漏洞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有決定性。

隨后，多年來大家還是通過各種各樣的糾纏例子對(duì)，驗(yàn)證Bell不等式，是因?yàn)橹皩?shí)驗(yàn)存在的不完美和漏洞。例如局域性漏洞，探測(cè)漏洞。所謂局域性漏洞就是指糾纏粒子之間的關(guān)聯(lián)的相應(yīng)時(shí)間超越光速，比如對(duì)一個(gè)粒子探測(cè)得到結(jié)果，另外一個(gè)粒子的結(jié)果也就瞬間得到，但是如果兩個(gè)粒子之間距離不夠長(zhǎng)，不足以證明通過光速傳播的時(shí)間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于實(shí)驗(yàn)上得到另一個(gè)光子結(jié)果的時(shí)間。就存在局域性漏洞。而探測(cè)器漏洞則是，因?yàn)樘綔y(cè)器效率不是100%，所以可以理解為探測(cè)到的粒子都違背Bell不等式，而沒有探測(cè)到的粒子是不違背的。

2015年，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)的Ronald Hanson研究組報(bào)道了他們?cè)诮饎偸南到y(tǒng)中完成的驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。要避免局域性漏洞，只需把兩個(gè)金剛石色心放置在相距1.3公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室。利用糾纏光子對(duì)和糾纏交換技術(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏。兩個(gè)色心直接用光通訊所需時(shí)間大概4.27微秒，而完成一次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為4.18微秒，比光通信時(shí)間少90納秒，因此解決了局域性漏洞。此外，色心的測(cè)量效率高達(dá)96%，測(cè)量漏洞也被堵上了?？傊?，他們聲稱實(shí)現(xiàn)了無漏洞的驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn),在96%的置信度（2.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）上支持量子理論，從而證偽了局域的隱變量理論。

如果這兩個(gè)漏洞都被堵上，還有一個(gè)漏洞就是自由意志，在實(shí)驗(yàn)過程中需要選擇測(cè)量基，也有人認(rèn)為測(cè)量基的選擇收到意識(shí)的影響，而產(chǎn)生漏洞。于是就誕生了所謂的大貝爾實(shí)驗(yàn)。

2016年，大貝爾實(shí)驗(yàn)（the Big Bell Test）展開，并召集到世界各地超過10萬名志愿者。在實(shí)驗(yàn)中，所有志愿者都需要基于個(gè)人的自由意志不斷地進(jìn)行選擇形成二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，在過關(guān)游戲中快速隨機(jī)地按下0或者1，12小時(shí)內(nèi)共持續(xù)產(chǎn)生每秒逾1000比特的數(shù)據(jù)流，全部記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端，并被實(shí)時(shí)和隨機(jī)地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，用以控制這些研究團(tuán)隊(duì)的貝爾不等式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。大貝爾實(shí)驗(yàn)相信人類擁有真正的自由意志，通過大量參與者的自由意志，大貝爾實(shí)驗(yàn)在更廣泛的范圍內(nèi)關(guān)閉自由選擇漏洞，強(qiáng)烈否定愛因斯坦的定域性原理。

這三位科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，實(shí)至名歸。就像諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席說的那樣，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究已經(jīng)超越了解釋量子力學(xué)的基本問題。那就是因?yàn)橐匀晃锢韺W(xué)家的研究為基礎(chǔ)，量子糾纏已經(jīng)在很多物理體系中被實(shí)驗(yàn)證實(shí)并且加以利用。比如在我們實(shí)驗(yàn)室中，激光經(jīng)過非線性晶體，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，一個(gè)泵浦光子就會(huì)分裂成一對(duì)光子，滿足相位匹配條件。這一對(duì)光子就處于某一個(gè)特定的糾纏態(tài)上。這兩個(gè)光子無論相距多遠(yuǎn)，比如一個(gè)留在我的實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)用墨子號(hào)衛(wèi)星發(fā)送到太空，只要我們測(cè)量得知我實(shí)驗(yàn)室中的光子的狀態(tài)，不需要對(duì)另外一個(gè)在遙遠(yuǎn)的太空的光子做任何操作，都可以瞬間獲知它的狀態(tài)。

量子糾纏是一種非常重要的物理資源，可以應(yīng)用于量子保密通信，使我們獲得更加安全高效的通信方式，應(yīng)用于量子計(jì)算，使我們擁有經(jīng)典不可比擬的強(qiáng)大算力的量子計(jì)算機(jī)，應(yīng)用于量子精密測(cè)量，使我們擁有精度更高的測(cè)量方式等等。

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