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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)嵲凇笨梢岳斫鉃椋粋€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)計得到觀測結(jié)果的關(guān)聯(lián)函數(shù)。克勞澤發(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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