2022 年 10 月 4 日北京時(shí)間 17 時(shí) 45 分許，2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)學(xué)者阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect） ，美國(guó)學(xué)者約翰?克勞澤（John?Clauser）和奧地利學(xué)者安東?蔡林格（Anton?Zeilinger），以表彰他們“用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證偽貝爾不等式，開創(chuàng)量子信息科學(xué)”。
阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect）1947 年生于法國(guó)阿讓，1983 年獲法國(guó)巴黎第十一大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任巴黎薩克雷大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院教授。
約翰?克勞澤（John Clauser）1942 年生于美國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納，1969 年獲美國(guó)哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位。美國(guó) J．F Clauser ＆ Assoc 公司創(chuàng)始人、研究物理學(xué)家。
安東?蔡林格（Anton Zeilinger）1945 年出生于奧地利因河地區(qū)里德。1971 年在奧地利維也納大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為維也納大學(xué)教授。
量子力學(xué)并不僅僅是一個(gè)理論或哲學(xué)問(wèn)題，更擁有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。已經(jīng)有大量研究正專注于利用單個(gè)粒子系統(tǒng)的特殊屬性來(lái)建造量子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)測(cè)量方法，以及構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。
在量子力學(xué)中允許出現(xiàn)這樣一種情況：無(wú)論相距多遠(yuǎn)，兩個(gè)或多個(gè)粒子能夠共享物理狀態(tài)，這被稱為量子糾纏。自從該理論提出以來(lái)，它一直是量子力學(xué)中爭(zhēng)論最多的元素之一。阿爾伯特?愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”，而薛定諤說(shuō)這是量子力學(xué)最重要的特征。
今年的獲獎(jiǎng)?wù)咛剿髁诉@些糾纏的量子態(tài)，他們的實(shí)驗(yàn)為目前正在進(jìn)行的量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。
超越日常體驗(yàn)
當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，人們只要測(cè)量其中一個(gè)粒子的特性，那么就可以立即確定另一個(gè)粒子的等效測(cè)量結(jié)果。
乍一看，這也許并不奇怪。我們可以換個(gè)角度，將粒子類比成黑色和白色的球。想象一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)黑球朝一個(gè)方向發(fā)送，另一個(gè)白球朝相反方向發(fā)送。如果觀察者接住一個(gè)球并看到它是白色的，那么可以立即得知向另一個(gè)方向行進(jìn)的球是黑色的。
量子力學(xué)如此特別的原因在于，在被測(cè)量之前，量子力學(xué)中的“球”并沒(méi)有確定的狀態(tài)。就好像兩個(gè)球都是灰色的，直到有人看到其中一個(gè)。這時(shí)，這個(gè)球可能會(huì)呈現(xiàn)為黑色，也可能呈現(xiàn)為白色。而另一個(gè)球就會(huì)立即變成相反的顏色。
但問(wèn)題在于，我們?cè)趺粗肋@些球最開始的顏色是不固定的呢？即使它們看起來(lái)是灰色的，但也許它們含有一個(gè)隱藏的標(biāo)簽，標(biāo)注了當(dāng)有人看到它們時(shí)，這些球應(yīng)該變成哪種顏色。
量子力學(xué)中相互糾纏的粒子對(duì)可以比作向相反方向拋出的相反顏色的球。當(dāng)鮑勃接住一個(gè)球并看到它是黑色的時(shí)候，他能立即知道愛麗絲接住了一個(gè)白色的球。關(guān)于隱變量的理論認(rèn)為，這些球總是包含了關(guān)于顯示什么顏色的隱藏信息。然而，量子力學(xué)認(rèn)為，在有人看到它們之前，這些球是灰色的，然后其中一個(gè)隨機(jī)變成白色，而另一個(gè)變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實(shí)驗(yàn)可以區(qū)分這兩種情況 —— 實(shí)驗(yàn)證明，量子力學(xué)的描述是正確的。
獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的研究的一個(gè)重要部分是貝爾不等式（Bell inequalities）。貝爾不等式使得科學(xué)家可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)，區(qū)分量子力學(xué)和隱變量這兩種理論。實(shí)驗(yàn)表明，正如量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣，這些球是灰色的，沒(méi)有包含任何隱藏信息。在實(shí)驗(yàn)中，哪個(gè)球變成黑色、哪個(gè)變成白色，是概率決定的。
量子力學(xué)最重要的資源
糾纏的量子態(tài)提供了存儲(chǔ)、傳輸和處理信息的新可能性。
如果一對(duì)相互糾纏的粒子同時(shí)向相反的方向行進(jìn)，其中一個(gè)粒子與第三個(gè)粒子發(fā)生糾纏，有趣的現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)。它們將轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的共享態(tài)。第三個(gè)粒子會(huì)失去獨(dú)立性，但它的量子態(tài)屬性會(huì)轉(zhuǎn)移到與它糾纏的粒子（原始糾纏粒子對(duì)之一）上。糾纏現(xiàn)在已從原始對(duì)轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的粒子。這種將未知量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子的方式被稱為量子隱形傳態(tài)。1997 年，安東?蔡林格和他的同事，首次實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)。
值得注意的是，量子隱形傳態(tài)是將量子信息從一個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)系統(tǒng)時(shí)，不會(huì)損失任何信息的唯一方法。想要測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)的所有屬性，而后傳輸這些信息并以此來(lái)重建整個(gè)系統(tǒng)是絕對(duì)不可能的。量子系統(tǒng)可以用概率疊加的量子態(tài)來(lái)完全描述，這意味著一個(gè)量子系統(tǒng)同時(shí)包含了多個(gè)量子態(tài)，每一個(gè)量子態(tài)都有一定的概率在測(cè)量時(shí)出現(xiàn)。
而一旦進(jìn)行測(cè)量，那么量子系統(tǒng)就會(huì)坍縮為一個(gè)量子態(tài)，也就是通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)到的態(tài)。而量子系統(tǒng)所有與測(cè)量得到的末態(tài)相疊加的態(tài)，在觀測(cè)后將完全消失，任何方法都不能再對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。然而，通過(guò)量子隱形傳態(tài)，我們可以將完全未知的量子態(tài)信息完好無(wú)損地轉(zhuǎn)移到新的粒子中，但代價(jià)是破壞原始粒子所攜帶的信息。
科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，下一步就是嘗試兩對(duì)糾纏粒子間的量子隱形傳態(tài)。如果兩對(duì)糾纏的粒子對(duì)中的一個(gè)粒子，以特定方式聚集在一起，那么兩對(duì)中未受干擾的粒子可能會(huì)發(fā)生糾纏，盡管它們從未相互接觸。1998 年，安東?蔡林格的研究小組首次證明了粒子對(duì)間糾纏的交換。
糾纏的光子對(duì)可以通過(guò)光纖以相反的方向傳輸，并在量子網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)信號(hào)。兩組糾纏粒子對(duì)間發(fā)生的糾纏，使得擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離成為可能。通常，光子在被吸收或失去其量子特性前，能通過(guò)光纖傳輸?shù)木嚯x是有限的。雖然普通的光信號(hào)可以通過(guò)光纖一路放大，但這不適用于糾纏的光子對(duì)。光信號(hào)放大器需要捕獲和測(cè)量光子來(lái)實(shí)現(xiàn)放大作用，這些操作正破壞了光子對(duì)的糾纏。而粒子對(duì)間的糾纏交換意味著可以將原始的量子態(tài)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)相比其他方式更長(zhǎng)的超遠(yuǎn)距離傳輸。
兩對(duì)糾纏的粒子對(duì)從不同的來(lái)源發(fā)射。每對(duì)中的一個(gè)粒子（圖中的 2 和 3）通過(guò)一種特殊的方式發(fā)生糾纏。由此，另外兩個(gè)粒子（圖中的 1 和 4）也將發(fā)生糾纏。這樣，兩個(gè)從未接觸過(guò)的粒子就能糾纏到一起。
從佯謬到不等式
事實(shí)上，這一進(jìn)展基于多年的研究發(fā)展。它始于令人難以置信的發(fā)現(xiàn)：量子力學(xué)允許將單個(gè)量子系統(tǒng)劃分為彼此分離，同時(shí)仍表現(xiàn)為一個(gè)整體的多個(gè)單元。
這違背了所有關(guān)于因果和現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的常見觀點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)如何在受到其他地方系統(tǒng)影響的同時(shí)，卻不受它傳遞的信號(hào)影響？物理規(guī)律決定了，信號(hào)的傳播速度不能超過(guò)光速 —— 但在量子力學(xué)中，似乎根本不需要信號(hào)來(lái)連接擴(kuò)展系統(tǒng)的不同部分。
阿爾伯特?愛因斯坦認(rèn)為這是不可行的。他和同事鮑里斯?波多爾斯基（Boris Podolsky）、內(nèi)森?羅森（Nathan Rosen）一起研究了這種現(xiàn)象。他們?cè)?1935 年提出了他們的推論：量子力學(xué)似乎沒(méi)有提供對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述。根據(jù)研究人員的姓名首字母，這個(gè)推論被稱為 EPR 佯謬。
問(wèn)題是，是否可以對(duì)世界進(jìn)行更完整的描述，而量子力學(xué)只是其中的一部分。例如一種解釋方法是，粒子總是攜帶了一些隱藏的信息，這些信息表明它們將顯示什么樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以此推測(cè)，所有測(cè)量行為都包含了測(cè)量發(fā)生位置的信息。這種類型的信息通常稱為局域隱變量。
在歐洲核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭物理學(xué)家約翰?斯圖爾特?貝爾 (John Stewart Bell，1928-1990) 仔細(xì)研究了這個(gè)問(wèn)題。他發(fā)現(xiàn)有一種實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證世界是否完全符合量子力學(xué)規(guī)律，或者是否可以有另一種帶有隱變量的描述。如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次，所有隱變量相關(guān)的理論都顯示出結(jié)果之間的相關(guān)性必須低于或至多等于某個(gè)特定值，也就是貝爾不等式。
然而，量子力學(xué)可以違反這個(gè)不等式，也就是結(jié)果之間的相關(guān)性可以大于特定值。
1960 年代，約翰?克勞澤還是一名學(xué)生時(shí)，他就對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)產(chǎn)生了興趣。當(dāng)他讀到了約翰?貝爾的想法后，他忍不住不停地思考這種方法的可能性。最終，他和其他三名研究人員提出了一個(gè)可以在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，來(lái)測(cè)試貝爾不等式。
該實(shí)驗(yàn)涉及向相反方向發(fā)送一對(duì)糾纏粒子。在實(shí)踐中，使用了具有偏振特性的光子。當(dāng)粒子被發(fā)射時(shí)，極化方向是不確定的，唯一可以確定的是粒子具有平行極化。
利用允許通過(guò)特定方向偏振光的濾光片，就可以研究光子的偏振特性。許多太陽(yáng)鏡中就用到了這種濾光片，它可以阻擋在某個(gè)平面上被偏振的光，例如水反射的光就包含了偏振光。
如果實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)粒子都被發(fā)送到平行放置的濾光片，比如兩個(gè)垂直放置的濾光片，如果一個(gè)粒子能夠通過(guò) —— 那么另一個(gè)也會(huì)通過(guò)。而如果兩個(gè)濾光片彼此成直角，那么其中一個(gè)粒子會(huì)被阻擋，而另一個(gè)將通過(guò)。關(guān)鍵在于，使用以不同傾角放置的濾光片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，結(jié)果可能會(huì)有所不同：有時(shí)兩個(gè)粒子都能通過(guò)，有時(shí)只有一個(gè)，有時(shí)沒(méi)有。兩個(gè)粒子同時(shí)通過(guò)濾光片的概率取決于濾光片之間的角度。
量子力學(xué)導(dǎo)致了測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性。一個(gè)粒子通過(guò)濾光片的可能性，取決于另一個(gè)粒子在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)濾光片設(shè)置的角度。這意味著，在某些角度時(shí)，兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性將違反貝爾不等式。而如果結(jié)果由隱變量控制，那么在粒子發(fā)射時(shí)就已經(jīng)能預(yù)先確定，結(jié)果間也會(huì)具有更強(qiáng)的相關(guān)性。
被違反的不等式
約翰?克勞澤立即開始實(shí)驗(yàn)。他建造了一個(gè)裝置，一次發(fā)射兩個(gè)糾纏光子，每個(gè)都打向檢測(cè)偏振的濾光片。1972 年，他與博士生斯圖爾特?弗里德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一個(gè)明顯違反貝爾不等式的結(jié)果，并與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)一致。
在接下來(lái)的幾年里，約翰?克勞澤和其他物理學(xué)家繼續(xù)討論這個(gè)實(shí)驗(yàn)及其局限性。局限之一是，該實(shí)驗(yàn)在制備和捕獲粒子方面效率低下。而且由于測(cè)量是預(yù)先設(shè)置好的，濾光片的角度是固定的，因此存在漏洞，觀察者可以質(zhì)疑：如果實(shí)驗(yàn)裝置碰巧以某種方式選擇了具有強(qiáng)相關(guān)性的粒子，而沒(méi)有檢測(cè)到其他粒子，該怎么辦？如果是這樣，粒子仍然可能攜帶隱藏的信息。
這個(gè)特殊的漏洞難以消除，因?yàn)榧m纏在一起的量子態(tài)是如此脆弱，難以管理。因此有必要處理單個(gè)光子。當(dāng)時(shí)還在法國(guó)讀博的阿蘭?阿斯佩沒(méi)有被困難嚇倒，他建立了一個(gè)新版的實(shí)驗(yàn)，并迭代改進(jìn)了幾次。在他的實(shí)驗(yàn)中，他可以記錄下哪些光子通過(guò)了濾光片、哪些沒(méi)有。這意味著有更多光子被檢測(cè)到了，測(cè)量效果更好。
在他最終版本的測(cè)試中，他還能夠?qū)⒐庾右龑?dǎo)到兩個(gè)角度不同的濾光片。這種策略是一種機(jī)制，可以在糾纏光子對(duì)被制備后，改變它的方向。濾光片只有六米遠(yuǎn)，因此改變需要在幾個(gè)十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)完成。如果關(guān)于光子將到達(dá)哪個(gè)濾光片的信息會(huì)影響它從光源發(fā)射的方式，那么它就不會(huì)到達(dá)該濾光片。關(guān)于實(shí)驗(yàn)另一側(cè)的濾光片的信息也不能到達(dá)另一側(cè)并影響那里的測(cè)量結(jié)果。
阿蘭?阿斯佩通過(guò)這種方式補(bǔ)上了一個(gè)重要的漏洞，并提供了一個(gè)非常明確的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，不存在隱變量。
量子信息時(shí)代
這些實(shí)驗(yàn)以及類似的實(shí)驗(yàn)為當(dāng)前對(duì)量子信息科學(xué)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
能夠操縱和管理量子態(tài)及其所有屬性使我們能夠?qū)崿F(xiàn)一種工具，而后者具有我們預(yù)料之外的潛力。這是量子計(jì)算、量子信息的傳輸和存儲(chǔ)，以及量子加密算法的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，具有兩個(gè)以上粒子的系統(tǒng)（所有粒子都糾纏在一起）正在進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，安東?蔡林格和他的同事們是第一個(gè)探索的。
約翰?克勞澤使用了鈣原子。他用一種特殊的光照射鈣原子之后，可以發(fā)射糾纏光子。他在兩側(cè)用濾光片測(cè)量光子的偏振。經(jīng)過(guò)一系列測(cè)量，他證明它們違反了貝爾不等式。
阿蘭?阿斯佩開發(fā)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)一種新的激發(fā)原子的方法，使它們以更高的速率發(fā)射糾纏光子。他還可以在不同的設(shè)置之間切換，這樣系統(tǒng)就不會(huì)包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)先信息。
安東?蔡林格后來(lái)對(duì)貝爾不等式進(jìn)行了更多測(cè)試。他通過(guò)將激光照射在特殊晶體上來(lái)制備糾纏光子對(duì)，并使用隨機(jī)數(shù)切換測(cè)量設(shè)置。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的信號(hào)來(lái)控制濾光片并確保信號(hào)不會(huì)相互影響。
這些日趨完善的工具讓我們離實(shí)際應(yīng)用更近了?，F(xiàn)在已經(jīng)證明，通過(guò)數(shù)十千米光纖發(fā)送的光子之間，以及衛(wèi)星和地面站的光子之間都能建立糾纏態(tài)。在很短的時(shí)間內(nèi)，世界各地的研究人員發(fā)現(xiàn)了許多利用量子力學(xué)最強(qiáng)大特性的新方法。
第一次量子革命給了我們晶體管和激光，但由于可以操縱糾纏量子系統(tǒng)的現(xiàn)代工具，我們現(xiàn)在正在進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
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