他們說沒有人了解量子力學。 但多虧了這三位量子糾纏領域的先驅(qū)，也許我們能夠理解。
一聲巨響——2022 年 4 月
伊森
兩個糾纏粒子的描述，它們在空間中分離，并且每個粒子在被測量之前都具有不確定的特性。 實驗已經(jīng)確定，在測量發(fā)生的關鍵時刻之前，糾纏對中沒有一個成員存在于特定狀態(tài)：這是使許多現(xiàn)代量子技術(shù)成為可能的關鍵方面。 （：約翰/皇家）
要點
幾代人以來，科學家們一直在爭論量子粒子是否真的具有客觀的、可預測的現(xiàn)實，或者“量子怪異”是否是物理系統(tǒng)固有的。
20 世紀 60 年代，約翰·斯圖爾特·貝爾 (John Bell) 描述了兩個糾纏粒子之間最大可能的統(tǒng)計相關性：貝爾不等式。
但有些實驗可能會違反貝爾不等式，而這三位先驅(qū)——約翰·克勞瑟、艾倫·斯佩特和安東·澤林格——幫助使之成為可能。 量子信息系統(tǒng)成為一門真正的科學。
盡管我們都對宇宙有所了解，但物理學家無法從根本上回答一個簡單但深刻的問題：“什么是真實的？” 我們知道粒子的存在，并且當你測量粒子時我們知道它們是有東西的。 一些屬性。 但我們也知道，測量量子態(tài)的行為——甚至允許兩個量子相互作用——可以從根本上改變或決定你測量的內(nèi)容。 沒有觀察者行動的客觀現(xiàn)實從根本上來說是不存在的。
但這并不意味著自然沒有必須遵守的法則。 這些規(guī)則是存在的，盡管它們很難理解并且違反直覺。 我們不必爭論一種哲學方法與另一種哲學方法來揭示現(xiàn)實的真正量子本質(zhì)，而是可以轉(zhuǎn)向適當設計的實驗。 即使是兩個糾纏的量子態(tài)也必須遵守某些定律，這導致了量子信息科學的發(fā)展：一個具有潛在革命性應用的新興領域。 2022 年諾貝爾物理學獎剛剛公布，授予約翰·克勞瑟 (John )、艾倫·斯佩特 (Alan ) 和安東·澤林格 (Anton )，以表彰他們在量子信息系統(tǒng)、糾纏光子和違反貝爾不等式方面的開創(chuàng)性發(fā)展。 這是一個姍姍來遲的諾貝爾獎，其背后的科學尤其令人費解。
2022年諾貝爾物理學獎三位獲獎者的藝術(shù)作品是因為他們利用糾纏粒子實驗建立了貝爾不等式破缺，開創(chuàng)了量子信息科學。 從左到右，三位諾貝爾獎獲得者分別是艾倫·阿斯佩特 (Alan )、約翰·克勞瑟 (John ) 和安東·澤林格 (Anton )。 （：2022 年諾貝爾獎）
我們可以做各種各樣的實驗來說明量子現(xiàn)實的不確定性。
將許多放射性原子放入容器中并等待特定的時間。 你可以預測平均有多少原子仍然活著，有多少原子已經(jīng)衰變，但你無法預測哪些原子會存活，哪些原子不會。 我們只能得到統(tǒng)計概率。
通過狹窄的雙縫發(fā)射一系列粒子，您將能夠預測其后面的屏幕上會出現(xiàn)什么樣的干涉圖案。 然而，對于每個單獨的粒子，即使穿過狹縫，你也無法預測它會落在哪里。
讓一系列粒子（具有量子自旋）穿過磁場，一半將在磁場方向“向上”偏轉(zhuǎn)，一半將“向下”偏轉(zhuǎn)。 如果你不讓它們穿過另一個垂直的磁鐵，它們?nèi)匀粫３衷谀莻€方向上的旋轉(zhuǎn)； 然而，如果你這樣做，它們的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒃俅巫兊秒S機。
量子物理學的某些方面似乎是完全隨機的。 但它們真的是隨機的，還是只是因為我們關于這些系統(tǒng)的信息有限而不足以揭示一個基礎的、確定性的現(xiàn)實，所以它們看起來是隨機的？ 自量子力學誕生以來，從愛因斯坦到玻爾乃至更遠的將來，物理學家們一直在爭論這個問題。
當具有量子自旋的粒子穿過定向磁體時，它會分裂成至少兩個方向，具體取決于自旋的方向。 如果在同一方向設置另一個磁鐵，則不會發(fā)生進一步的分裂。 然而，如果在兩者之間以垂直方向插入第三塊磁鐵，不僅粒子會沿新方向分裂，而且你獲得的有關原始方向的信息也會被破壞，使這些粒子在經(jīng)過時再次分裂。最后的磁鐵。 (: MJasK/)
但在物理學中，我們不是根據(jù)論證而是根據(jù)實驗來決定問題。 如果我們能夠?qū)懴轮洮F(xiàn)實的定律——并且我們非常清楚如何為量子系統(tǒng)做到這一點——那么我們就可以推斷出系統(tǒng)的預期概率行為。 如果有足夠好的測量設置和儀器，我們就可以通過實驗來測試我們的預測并根據(jù)我們的觀察得出結(jié)論。
如果我們聰明的話，我們甚至可以設計一個實驗來測試一些關于現(xiàn)實的極其深刻的想法，例如量子系統(tǒng)的性質(zhì)在被測量之前是否存在根本的不確定性，或者是否存在某種類型的不確定性。支撐我們現(xiàn)實的“隱藏變量”甚至在我們衡量結(jié)果之前就預先決定了結(jié)果。
一種特殊類型的量子系統(tǒng)相對簡單，它導致了對該問題的許多關鍵見解：糾纏量子系統(tǒng)。 您所需要做的就是創(chuàng)建一對糾纏粒子，其中一個粒子的量子態(tài)與另一個粒子的量子態(tài)互相關。 盡管兩者單獨具有完全隨機和不確定的量子態(tài)，但當放在一起時，兩個量子之間的屬性應該是互相關的。
量子力學中的糾纏對可以比作向相反方向扔相反顏色的球的機器。 當鮑勃接住一個球并看到它是黑色時，他立即知道愛麗絲接住了一個白球。 在使用隱藏變量的理論中，球總是已經(jīng)包含有關顯示顏色的隱藏信息。 然而，量子力學表示，這些球在有人觀察它們之前是灰色的，其中一個隨機變成白色，另一個變成黑色。 貝爾不等式表明，有實驗可以區(qū)分這些情況。 這樣的實驗證明了量子力學的描述是正確的。 （：約翰/皇家）
即使在外套上，這也顯得很奇怪，甚至對于量子力學來說也是如此。 一般來說，任何信號（包括任何類型的信息）以光速傳播的速度都有速度限制。 但如果你：
創(chuàng)建一對糾纏粒子，
然后將它們分開，
然后測量其中一個粒子的量子態(tài)，
另一個粒子的量子態(tài)突然被確定，
不是以光速，而是瞬間。
現(xiàn)在已經(jīng)在數(shù)百公里（或英里）的距離上以低于 100 納秒的時間間隔證明了這一點。 如果信息在這兩個糾纏粒子之間傳輸，其交換速度至少比光快數(shù)千倍。
然而，事情并不像你想象的那么簡單。 例如，如果其中一個粒子被測量為“向上旋轉(zhuǎn)”，這并不意味著另一個粒子將 100%“向下旋轉(zhuǎn)”。 相反，它意味著另一個“旋轉(zhuǎn)向上”或“旋轉(zhuǎn)向下”的可能性能是通過某種統(tǒng)計準確度來預測的：??超過 50%，但低于 100%，具體取決于您的實驗設置。 這一性質(zhì)的特征是由約翰·斯圖爾特·貝爾 (John Bell) 在 20 世紀 60 年代導出的，他的貝爾不等式確保了兩個糾纏粒子的測量狀態(tài)之間的相關性永遠不會超過某個值。
通過讓光源發(fā)射一對糾纏光子，每個光子最終落在兩個單獨的觀察者手中，可以對光子進行獨立的測量。 結(jié)果應該是隨機的，但匯總結(jié)果應該顯示出相關性。 這些協(xié)相關是否受到局域?qū)嵲谡摰南拗迫Q于它們是否遵守或違反貝爾不等式。 （：APS/艾倫）
或者更確切地說，如果存在隱藏變量，這些糾纏態(tài)之間測量到的互相關永遠不會超過某個值，但標準量子力學（沒有隱藏變量）必然會違反貝爾不等式導致比預期更強的互相關。正確的實驗環(huán)境。 貝爾預測到了這一點，但不幸的是他預測的方式無法驗證。
這就是今年諾貝爾物理學獎獲得者取得的巨大進步的意義所在。
第一個是約翰·克勞瑟的作品。 克勞瑟對物理學家往往嚴重低估的理論進行了研究：他繼承了貝爾深刻的、技術(shù)上正確但不切實際的工作，并將其發(fā)展起來，以便可以構(gòu)建一個實際的實驗來測試它們。 他的“C”背后的東西現(xiàn)在被稱為 CHSH 不等式：其中一對糾纏粒子的每個成員都在觀察者的手中，觀察者可以在兩個垂直方向之一上測量其粒子自旋的選擇。 如果現(xiàn)實獨立于觀察者而存在，那么每一個測量都必須服從不等式； 如果不這樣做，就像在標準量子力學中一樣，就會違反不等式。
實驗測量的比率 R(phi)/R_0 是偏振器軸之間的角度 phi 的函數(shù)。 實線并不適合數(shù)據(jù)點，而是量子力學預測的偏振互相關恰好使得數(shù)據(jù)與理論預測的吻合度達到驚人的精度，這是無法用局部真實互相關表示的兩個光子之間。 解釋道。 （：S.，博士/勞倫斯伯克利國家實驗室，1972 年）
克勞瑟不僅以可以檢驗的方式導出了這個不等式，而且他本人和當時的博士生斯圖爾特·弗里德曼一起設計并進行了關鍵實驗，而且確實違反了貝爾（和 CHSH）不等式。 突然間，局部隱變量理論被證明與我們宇宙的量子現(xiàn)實相沖突：一項真正值得諾貝爾獎的成就！
但正如所有事情一樣，我們從這個實驗結(jié)果中得出的結(jié)論只能與支撐實驗本身的假設一樣好。 克勞瑟的工作中是否沒有漏洞，或者是否存在某種特殊類型的隱藏變量可能仍與他的測量結(jié)果一致？
這就是今年第二位諾貝爾獎獲得者艾倫·阿斯科特 (Alan Ascot) 的工作大顯身手的地方。阿斯科特意識到，如果兩個觀察者彼此之間存在因果關系，也就是說，如果其中一個觀察者可以在同一時刻向另一個觀察者發(fā)送一條消息，光速關于他們的實驗結(jié)果，該結(jié)果可能是其他觀察者在收到結(jié)果之前已經(jīng)測量了結(jié)果——然后一個觀察者對測量的選擇可能會影響另一個觀察者的測量。 這就是 Askew 想要關閉的漏洞。
測試量子非定域性的第三次阿斯科特實驗的示意圖。 來自源的糾纏光子被發(fā)送到兩個快速開關，將它們引導至偏振探測器。 該開關改變設置的速度非常快，當光子飛行時，有效地改變了實驗的探測器設置。 （：查德·奧澤爾）
20 世紀 80 年代初，阿斯科特與合作者菲利普·格蘭奇 ( )、杰拉德·羅杰 (Gérard Roger) 和讓·達利巴 (Jean ) 一起進行了一系列深刻的實驗超意識量子物理糾纏，在許多方面極大地改進了克勞澤的工作。
他建立了貝爾不等式的違反，其顯著性比克勞瑟的標準差約 6 個多了 30 個。
他建立了比以往任何時候都更大的貝爾不等式違反率——理論最大值的 83%，而之前實驗中的最大值不超過 55%。
此外，通過快速、連續(xù)地隨機化他的裝置中每個光子所經(jīng)歷的偏振器的方向，他確保兩個觀察者之間的任何“隱形通信”都必須以明顯高于光速的速度發(fā)生。 進展迅速，堵住了關鍵漏洞。 。
最后一項壯舉具有最重要的意義，這項關鍵實驗現(xiàn)在被廣泛稱為第三次阿斯科特實驗。 如果阿斯科特沒有做任何其他事情，那么證明量子力學與局部的、真正隱藏的變量的不一致性的能力本身就是一項意義深遠、值得諾貝爾獎的進步。
通過從預先存在的系統(tǒng)中創(chuàng)建兩個糾纏光子并將它們分開很遠的距離，我們可以觀察它們之間的互相關性，即使是在異常不同的位置。 既需要局域性又需要實在論的量子物理學解釋無法解釋無數(shù)的觀察結(jié)果，但與標準量子力學一致的多種解釋似乎同樣有效。 (:/)
但一些物理學家想要更多。 畢竟，偏振設置是真正隨機和確定性的，還是設置僅僅是偽隨機的：在兩個觀察者之間傳輸一些不可見的信號，這些信號可能以光速或更慢的速度傳播，以解釋它們之間的互相關性？ 性呢？
真正消除后一個漏洞的唯一方法是創(chuàng)建兩個糾纏粒子，將它們分開很大的距離，同時仍然保持它們的糾纏，然后盡可能接近同時執(zhí)行關鍵測量，確保兩個測量實際上都在外部每個觀察者的光錐。
只有每個觀察者的測量才能被建立為真正相互獨立 - 他們之間沒有希望進行通信，即使你無法看到或測量他們應該在他們之間交換的假設信號 - 你可以真正斷言你有封閉局部漏洞，真正隱藏變量。 量子力學的核心正處于危險之中，這就是今年第三位諾貝爾獎獲得者安東·澤林格的切入點。
光錐的一個例子，一個三維表面，所有可能的光線到達并離開時空中點。 在空間上移動得越多，在時間上移動得越少，反之亦然。 只有你過去的光錐中所包含的東西才能影響你今天； 只有你未??來的光錐中所包含的東西，才能被你未來所感知。 根據(jù)狹義相對論定律，彼此光錐之外的兩個事件不能交換通信。 (: / )
和他的協(xié)作團隊實現(xiàn)這一目標的方式非常出色，我所說的出色是指同時富有想象力、聰明、細心和精確。
首先，他們通過將激光泵入下變頻晶體來產(chǎn)生一對糾纏光子。
然后，他們通過單獨的光纖發(fā)送光子對的每個成員，保持糾纏的量子態(tài)。
接下來，他們將兩個光子分開很遠的距離：最初約為 400 米，這樣它們之間的光傳播時間將超過一微秒。
最后，他們進行了關鍵測量，每次測量之間的時間差約為數(shù)十納秒。
他們進行了這一實驗一萬多次，并建立了如此可靠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以至于在堵住“隱形信號”漏洞的同時創(chuàng)造了重要的新記錄。 如今，隨后的實驗在測量糾纏光子之間的距離已將其拉近數(shù)百公里，其中一項實驗在地球表面和地球軌道上發(fā)現(xiàn)了糾纏對。
世界上許多基于糾纏的量子網(wǎng)絡，包括那些延伸到太空的量子網(wǎng)絡，正在開發(fā)中，以利用量子隱形傳態(tài)、量子中繼器和網(wǎng)絡的怪異性以及量子糾纏的其他實用方面。 （：SA 等超意識量子物理糾纏，2019 年第 70 期）
澤林格也許還因設計關鍵設備而聞名，該設備使迄今為止發(fā)現(xiàn)的最奇怪的量子現(xiàn)象之一：量子隱形傳態(tài)成為可能。 有一個著名的量子不可克隆定理，該定理指出，如果不破壞原始量子態(tài)本身，就無法創(chuàng)建任何量子態(tài)的副本。 的團隊與 de 的獨立小組一起，通過實驗演示了一種糾纏交換方案：即使一個粒子的量子態(tài)與另一個粒子糾纏在一起，也可以有效地“移動”。 ”到另一個粒子，即使是一個從未直接與它現(xiàn)在糾纏的粒子相互作用的粒子。
量子克隆仍然是不可能的，因為原始粒子的量子特性沒有被保留，但“剪切和粘貼”的量子版本已經(jīng)被明確地證明：這是一項意義深遠、值得諾貝爾獎的進步。
約翰·克勞瑟（左）、艾倫·阿斯珀特（中）和安東·澤林格（右）因其在量子糾纏領域的進展和實際應用而獲得 2022 年諾貝爾物理學獎。 諾貝爾獎已經(jīng)被期待了20多年，今年的評選基于研究的好處，這是無可爭議的。 （：蓋蒂/，E.）
今年的諾貝爾獎不僅僅是對物理學的好奇心，更是對揭示有關量子現(xiàn)實本質(zhì)的一些更深層次真理的深刻好奇心。 是的，它確實做到了這一點，但它也有實際的一面：體現(xiàn)了諾貝爾獎的精神，諾貝爾獎旨在表彰為改善人類而進行的研究。 得益于 、 和 等人的研究，我們現(xiàn)在了解到，糾纏使得糾纏粒子對可以被用作量子資源：使其最終能夠用于實際應用。
量子糾纏可以在非常遠的距離上建立，使得量子信息的遠距離通信成為可能。 量子中繼器和量子網(wǎng)絡現(xiàn)在都能夠精確地執(zhí)行這項任務。 此外，受控糾纏現(xiàn)在不僅可以在兩個粒子之間實現(xiàn)，而且可以在許多粒子之間實現(xiàn)，就像在許多凝聚態(tài)物質(zhì)和多粒子系統(tǒng)中一樣：再次同意量子力學的預測，但不同意隱變量理論。 最后，安全的量子密碼學是通過貝爾不等式違反測試專門實現(xiàn)的：澤林格本人再次證明了這一點。
為 2022 年諾貝爾物理學獎獲得者約翰·克勞瑟 (John )、艾倫·阿斯科特 (Alan Ascot) 和安東·澤林格 (Anton ) 歡呼三聲！ 因為他們相信量子糾纏不再只是一種理論上的好奇心，而是當今技術(shù)前沿的強大工具。
/-一聲巨響/--諾貝爾獎-/
