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北京時間10月4日下午5點45分，物理學家阿蘭·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院授予了 2022 年度諾貝爾物理學獎，以表彰他們“通過光子糾纏的一系列實驗，打破了貝爾不等式的限制，并開創了量子信息的研究領域”。
這三位頂級科學家中，阿蘭·阿斯佩來自法國，目前任教于巴黎-薩克雷大學和巴黎綜合理工學院；約翰·克勞澤來自美國，目前就職于自己在灣區核桃溪市創辦的一家公司；安東·塞林格是奧地利維也納大學的一名教授。他們三人將平分 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？本文將用通俗語言嘗試回答這些問題。
關于量子糾纏與 EPR 佯謬 “量子糾纏（Quantum Entanglement）”這一術語最早由埃爾溫·薛定諤提出，他稱之為量子力學最重要的特征。用物理的語言來說，對于一個處于糾纏態的多粒子系統，其量子態函數不能分解成各個部分的量子態的乘積。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成為了整體特性而無法分離。
舉例來說，單個電子隨機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）
根據量子理論，當觀測者對糾纏態的電子進行實驗測量時，如果其中一個電子的測量結果（隨機地）呈現自旋向上，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。而且這個現象跟兩個電子的距離無關！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，另一個的自旋狀態就確定了，即一個實驗的結果可以立刻影響另一個的結果。
但問題是，一個電子如何瞬間獲知遙遠的另一個電子的自旋狀態，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的完備性，進而提出了一種稱為隱變量理論的量子力學的替代描述，其基本思想是：量子體系中存在某種隱藏變量，實驗觀測的結果能夠由該隱藏變量決定，而非量子力學描述的那樣隨機出現。
關于貝爾不等式和驗證實驗 量子力學提出，糾纏態量子體系中的各部分在實驗測量之前不存在確定的可觀測性質，而隱變量理論指出，存在某種隱藏屬性使得我們可以在實驗測量之前就確定測量結果。雙方爭執不下，誰也說服不了誰，直到貝爾不等式的出現。
圖 | 量子理論與隱變量理論的區別示意圖（來源：諾貝爾官網）
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，對于任意的定域實在理論（編者注：所謂的“定域實在”可以理解為，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驗結果），粒子間的某種相關函數的值不會超過一個固定上限。貝爾提出了一個可以驗證該不等式的思想實驗，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。
由于貝爾考慮實驗時對探測器采取的一些假設很難得到驗證，因此他提出的原始思想實驗并不適合進行實際測試。直到1969年，克勞澤及其合作者對貝爾不等式進行了改進，使得其容易進行實驗驗證，并提出了一種實驗裝置（示意圖如下圖）。
圖 | 克勞澤提出的貝爾不等式驗證實驗示意圖（來源：諾貝爾官網）
在該實驗中，光源 S 持續產生向相反方向傳播的、處于偏振糾纏態的光子對，Alice 和 Bob（編者注：這兩個名字廣泛用于量子信息領域，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，并統計得到觀測結果的關聯函數。克勞澤發現，實驗結果超過了貝爾不等式給出的關聯函數的上限，因而該實驗是對隱變量理論的否定。
然而，克勞澤的實驗裝置存在所謂的“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，阿斯佩等人改進了克勞澤的貝爾不等式驗證實驗，區別在于新的實驗裝置能夠更頻繁的發射糾纏光子對，并且偏振測量裝置可以在實驗中隨機調整，因而部分地修補了定域性漏洞。他們發現，該實驗結果仍然違反貝爾不等式。
在 1998 年和 2015 年，安東·塞林格團隊進一步完善了貝爾定理實驗，先是徹底消除了定域性漏洞（因為阿斯佩的實驗裝置仍然無法排除 Alice 和 Bob 距離太近造成的關聯），而后實現了無漏洞的貝爾不等式實驗，其結果均與量子力學的預測一致，為隱變量理論和量子理論之爭畫下了句號。
此后多年，塞林格團隊利用糾纏態的光子進行了更多實驗，并且還利用量子糾纏特性展示了“量子隱形傳態”和“量子糾纏交換”等奇特現象。在“糾纏交換”實驗中，塞林格團隊發現，在兩對不相關的糾纏態粒子對中，如下圖中的 1-2 和 3-4，如果能讓 2 與 3 糾纏，則1與4也會自發處于糾纏態。
圖 | 量子糾纏交換現象的示意圖（來源：諾貝爾官網）
塞林格通過一系列的這些實驗，從原理上驗證了對量子態進行傳輸的可能性，開創了量子信息這一學科領域。 | 
發表于 2022-10-8 16:12:58
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