今年的諾貝爾物理學獎授予他們，以表彰他們在量子力學和量子糾纏理論方面的貢獻。 不過，這一理論未來可能仍需檢驗。
▲2022年諾貝爾物理學獎獲得者。圖/諾貝爾獎委員會官網
文字| 張天堪
據新華社報道，瑞典皇家科學院10月4日宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏”領域做出的貢獻光子實驗，驗證貝爾不等式的違反，并開創量子信息科學。”
對于普通人來說，量子科學和量子糾纏是極其高端的理論，一般人根本無法理解和理解。 對此，瑞典皇家科學院也試圖使其解釋盡可能簡單，簡單描述了阿斯佩、克勞瑟和蔡林格的研究成果。 他們三人各自利用糾纏量子態進行了開創性的實驗，其中兩個粒子即使在分離時也表現得像一個單元。 他們的結果為基于量子信息的新技術掃清了道路。
什么是量子糾纏？
量子力學已經產生了難以形容的影響并開始得到應用。 量子力學的應用領域并不像以前想象的那么前沿，有很大的局限性，但有廣泛的研究和應用領域，包括量子計算機、量子網絡和安全量子加密通信。 量子力學應用和發展的一個關鍵因素是如何讓兩個或多個粒子以所謂的“糾纏態”存在。 處于“糾纏態”的一個粒子所發生的情況決定了另一個粒子所發生的情況，即使它們相距很遠。
顯然，瑞典皇家科學院的解釋無法讓太多人理解。 因此，可以通過降維并結合量子通信來理解。 所謂量子，是指能表現某種物質或物理量特性的最小單位。 如果一個物理量具有最小的不可分割的基本單位，則該物理量被量子化，最小的單位稱為量子。
粒子是指以自由狀態存在的物質的最小組成部分。 因此，在物理學中，由兩個或多個粒子組成的系統中相互相互作用的現象稱為量子糾纏。 愛因斯坦將量子糾纏稱為“遠距離幽靈相互作用”（幽靈般的遠距離相互作用），在注意到糾纏量子態的令人費解的特性后物理學的量子糾纏原理，愛因斯坦懷疑量子力學并不是一個完整的系統。 理論。
通俗地說，量子糾纏就是粒子（光子）、原子等最小物質之間的接觸、疊加、糾纏，就像一種信息傳輸和通訊的混沌狀態。 正是有了這樣的通信，才能實現量子通信和量子計算機。 ，量子互聯網可以實現。 然而，信息的傳播需要媒介，如空氣（聲波）、水（波）、電（波）、光纖等。 對于這些媒體，還需要信息的兼容性和理解（例如相同的語言，英語或中文）。 以及信息到達時接收信息的接口。
▲2022年諾貝爾物理學獎揭曉。圖/新華社
量子糾纏的用武之地
如今，人類的通訊方式有QQ、微信等，即便如此，人們仍然感覺比較慢且不安全，于是量子糾纏就發揮了作用。
2010年，加州理工學院研究小組實現了四個量子界面之間的糾纏。 隨后，清華大學段路明團隊在實驗中首次利用分束技術實現了25個量子界面之間的量子糾纏，比之前4個量子界面之間的糾纏記錄提高了約6倍。 這也意味著未來不僅可以通過量子接口實現量子通信和量子互聯網組網，而且通信和網絡速度都將得到大幅提升。
此外，公開資料顯示，2017年，中國科學院院士潘建偉等人利用“墨子號”量子科學實驗衛星進行實驗。 在1200公里的通信距離上，衛星上的量子誘餌態光源平均每秒發送4000萬個信號。 一個信號光子可以在一次軌道對接實驗中生成安全密鑰，平均碼率高達1.1kbps。
這項技術被稱為星地雙向量子糾纏分發。 其傳輸效率比目前相同距離的地面光纖通道高20個數量級，即提高萬億倍。 這就好比一個人步行到火星（如果有路的話）和光速（光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度，每秒30萬公里）到火星的速度之差。
2018年，芬蘭阿爾托大學Mika 教授團隊成功對兩個獨立振動的耳膜進行了量子糾纏。 每個耳膜只有 15 微米寬，大約是頭發的寬度，由 1015 個金屬鋁原子組成。 使用超導微波電路，兩個耳膜在接近絕對零（-273°C）的溫度下持續相互作用約 30 分鐘。
這些研究證明物理學的量子糾纏原理，量子糾纏并不是幽靈般的相互作用或心靈感應，而是真實存在的。 然而，它們是基于 Asper、 和 的工作。
關鍵是在20世紀60年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了貝爾不等式，該不等式指出，如果存在隱變量，大量測量值之間的相關性永遠不會超過某個值。 然而，克勞澤設計的實驗進行測量，通過明顯違反貝爾不等式證明了量子力學的實際相關性，這意味著量子力學不能被使用隱變量的理論所取代。
Aspe還設計了一項實驗來證明兩個粒子的波函數之間的相關性仍然存在，因為它們在測量其中一個粒子之前曾經是同一波函數的一部分而沒有受到干擾。
的團隊通過實驗證明了一種稱為量子隱形傳態的現象，這種現象可以將量子態從一個粒子長距離移動到另一個粒子。
感謝這三個人的開創性工作，量子通信和量子計算機現在已經出現。 2019年，谷歌表示，他們已經能夠使用53量子位的量子計算機來實現傳統計算機無法完成的任務。 這臺量子計算機可以在3分20秒內完成特定任務。 如果世界上最強大的超級計算機之一美國能源部橡樹嶺國家實驗室執行同樣的任務，大約需要一萬年的時間。
雖然谷歌后來撤回了這篇論文，但這也表明量子力學和量子糾纏將在網絡、IT和計算機中發揮巨大作用。 所有這一切都依賴于 Aspe、 和 的工作。 今年的諾貝爾物理學獎頒給了他們，以表彰他們對量子力學和量子糾纏理論的認可。
不過，這一理論未來可能還需要經過長期的檢驗。
作者：張天侃（專欄作者）
編輯/馬小龍
校對/劉越
