量子力學(xué)再登頂，詳細(xì)解讀2022年物理學(xué)諾獎

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

諾獎委員會在其官方介紹中稱，量子力學(xué)現(xiàn)在已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計算機、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?wù)邔m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”。

北京計算科學(xué)研究中心教授薛鵬提前猜中了今年的獲獎?wù)撸颉胺禈恪北硎?，這三位獲獎?wù)邔嵵撩麣w。下文是薛教授對今年獲獎工作的科普介紹。

撰文 | 薛鵬

在2010年，法國的阿蘭·艾斯佩特（Alain Aspect）、美國的約翰·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)上的基本概念和實驗貢獻(xiàn)，特別是一系列日益復(fù)雜的貝爾不等式測試，而獲得沃爾夫獎（Wolf Prize）”。

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

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，違背了狹義相對論。與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一個思想實驗，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。這時我們說，這兩個粒子構(gòu)成了量子糾纏態(tài)。

兩個粒子 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 對兩個粒子進(jìn)行測量。根據(jù)量子力學(xué)的說法，只要Alice 和Bob 還沒有進(jìn)行測量，每一個粒子都應(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 A 進(jìn)行測量，A 的疊加態(tài)便在一瞬間坍縮了，比如，坍縮成了 |上>?，F(xiàn)在，問題就來了：既然 Alice 已經(jīng)測量到 A 為 |上>，因為守恒的緣故，B 就一定要為 |下>。但是，此時的 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的信號！而這超距作用又是與相對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)；可以同時測量，也可延遲測量，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，他希望建立一個更普適的局域?qū)嵲谡摾碚搧韽浹a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)上形成了一個完全決定性的理論——局域隱變量理論。下面就是要實驗驗證究竟是量子力學(xué)理論正確且完備還是局域隱變量理論正確且完備。

而貝爾定理的實驗驗證是一個物理實驗，旨在測試量子力學(xué)理論與局域隱變量理論哪個正確。1964年，John Bell定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的測量值都不大

意味著局域隱變量理論是錯誤的。

貝爾不等式的誕生，宣告了量子力學(xué)理論的局域性爭議，從帶哲學(xué)色彩純粹思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學(xué)理論。雖然貝爾作為一個愛因斯坦的追隨者，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，可后來所有的實驗都表明局域隱變量理論預(yù)言有誤，而量子理論的預(yù)言與實驗一致。

1969年，當(dāng)時還是哥倫比亞大學(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)化為一個非常具體的實驗預(yù)測。

1972年，John Clauser已經(jīng)是博士后研究員了，他和研究生Stuart Freedman第一個用實驗證明了兩個相距很遠(yuǎn)的粒子可以糾纏在一起。John Clauser繼續(xù)進(jìn)行了另外三個實驗，以測試量子力學(xué)和糾纏的基礎(chǔ)，每個新的實驗都證實和擴(kuò)展了他的結(jié)果。Freedman–Clauser實驗是對CHSH不等式的第一個檢驗，它已經(jīng)在世界各地的實驗室進(jìn)行了數(shù)百次的實驗測試，以證實量子糾纏的真實性。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貝爾定理實驗，利用在鈣離子級聯(lián)輻射出的光子對之間的偏振態(tài)的糾纏，實驗結(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)完成貝爾定理實驗，徹底排除定域性漏洞，實驗結(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，驗證Bell不等式，是因為之前實驗存在的不完美和漏洞。例如局域性漏洞，探測漏洞。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)時間超越光速，比如對一個粒子探測得到結(jié)果，另外一個粒子的結(jié)果也就瞬間得到，但是如果兩個粒子之間距離不夠長，不足以證明通過光速傳播的時間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于實驗上得到另一個光子結(jié)果的時間。就存在局域性漏洞。而探測器漏洞則是，因為探測器效率不是100%，所以可以理解為探測到的粒子都違背Bell不等式，而沒有探測到的粒子是不違背的。

2015年，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)的Ronald Hanson研究組報道了他們在金剛石色心系統(tǒng)中完成的驗證貝爾不等式的實驗。要避免局域性漏洞，只需把兩個金剛石色心放置在相距1.3公里的兩個實驗室。利用糾纏光子對和糾纏交換技術(shù)，他們實現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏。兩個色心直接用光通訊所需時間大概4.27微秒，而完成一次實驗的時間為4.18微秒，比光通信時間少90納秒，因此解決了局域性漏洞。此外，色心的測量效率高達(dá)96%，測量漏洞也被堵上了?？傊麄兟暦Q實現(xiàn)了無漏洞的驗證貝爾不等式的實驗,在96%的置信度（2.1個標(biāo)準(zhǔn)差）上支持量子理論，從而證偽了局域的隱變量理論。

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

2016年，大貝爾實驗（the Big Bell Test）展開，并召集到世界各地超過10萬名志愿者。在實驗中，所有志愿者都需要基于個人的自由意志不斷地進(jìn)行選擇形成二進(jìn)制隨機數(shù)，在過關(guān)游戲中快速隨機地按下0或者1，12小時內(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，并被實時和隨機地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團(tuán)隊，用以控制這些研究團(tuán)隊的貝爾不等式檢驗實驗。大貝爾實驗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，大貝爾實驗在更廣泛的范圍內(nèi)關(guān)閉自由選擇漏洞，強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，實至名歸。就像諾貝爾物理學(xué)委員會主席說的那樣，獲獎?wù)邔m纏態(tài)的研究已經(jīng)超越了解釋量子力學(xué)的基本問題。那就是因為以三位物理學(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驗證實并且加以利用。比如在我們實驗室中，激光經(jīng)過非線性晶體，會產(chǎn)生自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，一個泵浦光子就會分裂成一對光子，滿足相位匹配條件。這一對光子就處于某一個特定的糾纏態(tài)上。這兩個光子無論相距多遠(yuǎn)，比如一個留在我的實驗室，一個用墨子號衛(wèi)星發(fā)送到太空，只要我們測量得知我實驗室中的光子的狀態(tài)，不需要對另外一個在遙遠(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)用于量子計算，使我們擁有經(jīng)典不可比擬的強大算力的量子計算機，應(yīng)用于量子精密測量，使我們擁有精度更高的測量方式等等。

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