2022 年 10 月 4 日北京時間 17 時 45 分許，2022 年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國學(xué)者阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect） ，美國學(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)行實驗，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 年生于法國阿讓，1983 年獲法國巴黎第十一大學(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 年生于美國加利福尼亞州帕薩迪納，1969 年獲美國哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位。美國 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)并不僅僅是一個理論或哲學(xué)問題，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粒子系統(tǒng)的特殊屬性來建造量子計算機(jī)、改進(jìn)測量方法，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：無論相距多遠(yuǎn)，兩個或多個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，它一直是量子力學(xué)中爭論最多的元素之一。阿爾伯特?愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”，而薛定諤說這是量子力學(xué)最重要的特征。

今年的獲獎?wù)咛剿髁诉@些糾纏的量子態(tài)，他們的實驗為目前正在進(jìn)行的量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。

超越日常體驗

當(dāng)兩個粒子處于糾纏態(tài)時，人們只要測量其中一個粒子的特性，那么就可以立即確定另一個粒子的等效測量結(jié)果。

乍一看，這也許并不奇怪。我們可以換個角度，將粒子類比成黑色和白色的球。想象一個實驗，一個黑球朝一個方向發(fā)送，另一個白球朝相反方向發(fā)送。如果觀察者接住一個球并看到它是白色的，那么可以立即得知向另一個方向行進(jìn)的球是黑色的。

量子力學(xué)如此特別的原因在于，在被測量之前，量子力學(xué)中的“球”并沒有確定的狀態(tài)。就好像兩個球都是灰色的，直到有人看到其中一個。這時，這個球可能會呈現(xiàn)為黑色，也可能呈現(xiàn)為白色。而另一個球就會立即變成相反的顏色。

但問題在于，我們怎么知道這些球最開始的顏色是不固定的呢？即使它們看起來是灰色的，但也許它們含有一個隱藏的標(biāo)簽，標(biāo)注了當(dāng)有人看到它們時，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)鮑勃接住一個球并看到它是黑色的時候，他能立即知道愛麗絲接住了一個白色的球。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，然后其中一個隨機(jī)變成白色，而另一個變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實驗可以區(qū)分這兩種情況 —— 實驗證明，量子力學(xué)的描述是正確的。

獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎的研究的一個重要部分是貝爾不等式（Bell inequalities）。貝爾不等式使得科學(xué)家可以通過實驗，區(qū)分量子力學(xué)和隱變量這兩種理論。實驗表明，正如量子力學(xué)所預(yù)測的那樣，這些球是灰色的，沒有包含任何隱藏信息。在實驗中，哪個球變成黑色、哪個變成白色，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、傳輸和處理信息的新可能性。

如果一對相互糾纏的粒子同時向相反的方向行進(jìn)，其中一個粒子與第三個粒子發(fā)生糾纏，有趣的現(xiàn)象就會出現(xiàn)。它們將轉(zhuǎn)化為一個新的共享態(tài)。第三個粒子會失去獨立性，但它的量子態(tài)屬性會轉(zhuǎn)移到與它糾纏的粒子（原始糾纏粒子對之一）上。糾纏現(xiàn)在已從原始對轉(zhuǎn)移到單獨的粒子。這種將未知量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一個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，首次實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)的實驗。

值得注意的是，量子隱形傳態(tài)是將量子信息從一個系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€系統(tǒng)時，不會損失任何信息的唯一方法。想要測量一個量子系統(tǒng)的所有屬性，而后傳輸這些信息并以此來重建整個系統(tǒng)是絕對不可能的。量子系統(tǒng)可以用概率疊加的量子態(tài)來完全描述，這意味著一個量子系統(tǒng)同時包含了多個量子態(tài)，每一個量子態(tài)都有一定的概率在測量時出現(xiàn)。

而一旦進(jìn)行測量，那么量子系統(tǒng)就會坍縮為一個量子態(tài)，也就是通過測量系統(tǒng)觀測到的態(tài)。而量子系統(tǒng)所有與測量得到的末態(tài)相疊加的態(tài)，在觀測后將完全消失，任何方法都不能再對其進(jìn)行測量。然而，通過量子隱形傳態(tài)，我們可以將完全未知的量子態(tài)信息完好無損地轉(zhuǎn)移到新的粒子中，但代價是破壞原始粒子所攜帶的信息。

科學(xué)家通過實驗證明了這一點，下一步就是嘗試兩對糾纏粒子間的量子隱形傳態(tài)。如果兩對糾纏的粒子對中的一個粒子，以特定方式聚集在一起，那么兩對中未受干擾的粒子可能會發(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間糾纏的交換。

糾纏的光子對可以通過光纖以相反的方向傳輸，并在量子網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)信號。兩組糾纏粒子對間發(fā)生的糾纏，使得擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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，能通過光纖傳輸?shù)木嚯x是有限的。雖然普通的光信號可以通過光纖一路放大，但這不適用于糾纏的光子對。光信號放大器需要捕獲和測量光子來實現(xiàn)放大作用，這些操作正破壞了光子對的糾纏。而粒子對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)，實現(xiàn)相比其他方式更長的超遠(yuǎn)距離傳輸。

兩對糾纏的粒子對從不同的來源發(fā)射。每對中的一個粒子（圖中的 2 和 3）通過一種特殊的方式發(fā)生糾纏。由此，另外兩個粒子（圖中的 1 和 4）也將發(fā)生糾纏。這樣，兩個從未接觸過的粒子就能糾纏到一起。

從佯謬到不等式

事實上，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)允許將單個量子系統(tǒng)劃分為彼此分離，同時仍表現(xiàn)為一個整體的多個單元。

這違背了所有關(guān)于因果和現(xiàn)實本質(zhì)的常見觀點。一個系統(tǒng)如何在受到其他地方系統(tǒng)影響的同時，卻不受它傳遞的信號影響？物理規(guī)律決定了，信號的傳播速度不能超過光速 —— 但在量子力學(xué)中，似乎根本不需要信號來連接擴(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。他們在 1935 年提出了他們的推論：量子力學(xué)似乎沒有提供對現(xiàn)實的完整描述。根據(jù)研究人員的姓名首字母，這個推論被稱為 EPR 佯謬。

問題是，是否可以對世界進(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驗結(jié)果。以此推測，所有測量行為都包含了測量發(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)研究了這個問題。他發(fā)現(xiàn)有一種實驗可以驗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。如果這個實驗重復(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特定值，也就是貝爾不等式。

然而，量子力學(xué)可以違反這個不等式，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，他就對量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識產(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可以在現(xiàn)實中實現(xiàn)的實驗，來測試貝爾不等式。

該實驗涉及向相反方向發(fā)送一對糾纏粒子。在實踐中，使用了具有偏振特性的光子。當(dāng)粒子被發(fā)射時，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。許多太陽鏡中就用到了這種濾光片，它可以阻擋在某個平面上被偏振的光，例如水反射的光就包含了偏振光。

如果實驗中的兩個粒子都被發(fā)送到平行放置的濾光片，比如兩個垂直放置的濾光片，如果一個粒子能夠通過 —— 那么另一個也會通過。而如果兩個濾光片彼此成直角，那么其中一個粒子會被阻擋，而另一個將通過。關(guān)鍵在于，使用以不同傾角放置的濾光片進(jìn)行測量時，結(jié)果可能會有所不同：有時兩個粒子都能通過，有時只有一個，有時沒有。兩個粒子同時通過濾光片的概率取決于濾光片之間的角度。

量子力學(xué)導(dǎo)致了測量結(jié)果之間的相關(guān)性。一個粒子通過濾光片的可能性，取決于另一個粒子在進(jìn)行實驗時濾光片設(shè)置的角度。這意味著，在某些角度時，兩個測量結(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)射時就已經(jīng)能預(yù)先確定，結(jié)果間也會具有更強(qiáng)的相關(guān)性。

被違反的不等式

約翰?克勞澤立即開始實驗。他建造了一個裝置，一次發(fā)射兩個糾纏光子，每個都打向檢測偏振的濾光片。1972 年，他與博士生斯圖爾特?弗里德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一個明顯違反貝爾不等式的結(jié)果，并與量子力學(xué)的預(yù)測一致。

在接下來的幾年里，約翰?克勞澤和其他物理學(xué)家繼續(xù)討論這個實驗及其局限性。局限之一是，該實驗在制備和捕獲粒子方面效率低下。而且由于測量是預(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：如果實驗裝置碰巧以某種方式選擇了具有強(qiáng)相關(guān)性的粒子，而沒有檢測到其他粒子，該怎么辦？如果是這樣，粒子仍然可能攜帶隱藏的信息。

這個特殊的漏洞難以消除，因為糾纏在一起的量子態(tài)是如此脆弱，難以管理。因此有必要處理單個光子。當(dāng)時還在法國讀博的阿蘭?阿斯佩沒有被困難嚇倒，他建立了一個新版的實驗，并迭代改進(jìn)了幾次。在他的實驗中，他可以記錄下哪些光子通過了濾光片、哪些沒有。這意味著有更多光子被檢測到了，測量效果更好。

在他最終版本的測試中，他還能夠?qū)⒐庾右龑?dǎo)到兩個角度不同的濾光片。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十億分之一秒的時間內(nèi)完成。如果關(guān)于光子將到達(dá)哪個濾光片的信息會影響它從光源發(fā)射的方式，那么它就不會到達(dá)該濾光片。關(guān)于實驗另一側(cè)的濾光片的信息也不能到達(dá)另一側(cè)并影響那里的測量結(jié)果。

阿蘭?阿斯佩通過這種方式補(bǔ)上了一個重要的漏洞，并提供了一個非常明確的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，不存在隱變量。

量子信息時代

這些實驗以及類似的實驗為當(dāng)前對量子信息科學(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。這是量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，具有兩個以上粒子的系統(tǒng)（所有粒子都糾纏在一起）正在進(jìn)入實際應(yīng)用，安東?蔡林格和他的同事們是第一個探索的。

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)用濾光片測量光子的偏振。經(jīng)過一系列測量，他證明它們違反了貝爾不等式。

阿蘭?阿斯佩開發(fā)了這個實驗，通過一種新的激發(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)就不會包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)先信息。

安東?蔡林格后來對貝爾不等式進(jìn)行了更多測試。他通過將激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用隨機(jī)數(shù)切換測量設(shè)置。一項實驗使用來自遙遠(yuǎn)星系的信號來控制濾光片并確保信號不會相互影響。

這些日趨完善的工具讓我們離實際應(yīng)用更近了?，F(xiàn)在已經(jīng)證明，通過數(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)入一個新時代。

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