介紹：
從愛因斯坦的質疑，到貝爾測試，再到2022年諾貝爾獎，量子糾纏已經成為物理學的支柱。
最近，瑞士物理學家、日內瓦大學教授尼古拉斯·吉辛（ Gisin）接受了科學記者兼播客主持人亞當·利維（Adam Levy）的采訪，解釋了為什么需要數十年的時間才能通過實驗驗證量子糾纏的概念并獲得人們的接受。 年時間。 本文是該播客的文本版本。
科學記者 Adam Lavey（左）和物理學家 （右）回顧了量子糾纏現象如何從哲學討論轉變為實驗驗證。
量子糾纏：從“神秘”到自然法則的漫長旅程
亞當·拉維 | 主持人
尼古拉斯·吉辛｜嘉賓
陳思 | 翻譯
陳曉雪| 校對
這場爭論是從愛因斯坦開始的
Adam Levy：關于現實的本質，量子物理學告訴我們什么？ 遙遠的粒子會互相影響嗎？ 宇宙真的很奇怪、不可預測嗎？ 我是 Adam Levy，這是這本雜志。
本季我們將探討科學思想是如何以及何時發展的。 每一集都探討一篇文章如何改變我們的思維方式，而這一期我們正在看一篇文章——實際上是一個伴隨物理學 80 年的短語——“遠距離奇異效應”（a）。
這句話出自愛因斯坦之口，他認為當時正在形成的量子物理思想存在嚴重問題，特意選擇了這個措辭來形容。 在本集中，我們將探討愛因斯坦認為過于神秘而難以接受的事物，以及北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Bell）的工作（參見文章：《宇宙》），他設計了一種通往宇宙的方法，并進行了終極測試，看看愛因斯坦的懷疑是否有根據。 。
但在此之前，我們需要談談20世紀初物理學界發生的革命。 那時，人們越來越清楚地認識到宇宙并不像物理學家經典描述的那樣運作。
經典物理學用確定性定律來描述由光等波和電子等粒子組成的世界，但這無法描述大量實驗揭示的現象。 結果，這種經典的宇宙觀逐漸被描述微觀世界奇特性質的量子力學所取代。
尼古拉斯·吉辛：最初，[這些奇怪的性質]實際上就是人們所說的波粒二象性。
Adam Levy：我是來自日內瓦大學的 ，他的整個職業生涯都在研究應用物理和量子物理，幾十年來一直在思考量子物理在通信中的應用。
好的，但是什么是波粒二象性？
尼古拉斯·吉辛：例如，你有一個粒子、一個電子或一個原子，所有這些粒子有時表現得像粒子，像小臺球，但有時表現得像波。 可以說，這些粒子的雙重性質實際上是所有量子科學的起點。 直到 20 世紀 60 年代，甚至可能更晚的時候，它才真正成為人們關注的焦點。
亞當·利維：宇宙的基本組成部分既不是波也不是粒子，而是以某種方式同時表現出這兩種屬性，這種想法徹底顛覆了物理學。 雖然波粒二象性可能是主要焦點，但量子物理學的內涵遠不止表面上所看到的。
量子物理學預測粒子可能會糾纏在一起。 這意味著兩個或多個粒子可以連接在一起，并且彼此內在地相關，即使它們分開，即使它們相距很遠，也不再可能獨立地描述它們。 觀察其中一個粒子似乎會影響對另一個粒子的觀察。
尼古拉斯·吉辛：糾纏意味著：如果我現在對第一個粒子進行測量或做某事，第二個粒子就會受到某種影響，或者第二個粒子會“顫抖”。
Adam Levy：這種觀點挑戰了愛因斯坦關于宇宙的核心思想，即信息只能以光速或更慢的速度在宇宙中傳播，因此任何物體都不能立即影響與其分離的物體。 但在這里，量子物理學表明，測量一個糾纏粒子可以立即對另一個粒子產生影響，或“顫動”。
尼古拉斯·吉辛：是的。 因此，愛因斯坦和當時的許多人一樣，意識到如果現在在一側進行測量，就會對另一側產生影響。 其中一個粒子可能在我所在的日內瓦，而另一個粒子可能在我不知道的某個地方，比如遙遠的美國某個地方。 然而，這些粒子具有糾纏屬性，因此您無法單獨描述它們。 愛因斯坦簡直不敢相信這一點，所以他得出結論：糾纏是不可能的。
Adam Levy：事實上，愛因斯坦在 1947 年寫信給馬克斯·玻恩（Max Born），他心中為我們正在談論的這種非局域現象起了一個綽號：“幽靈般的超距作用”。 這個短語至今仍在使用，但當時，是愛因斯坦獨自反對這些想法，還是更廣泛的物理學界實際上進行了積極的討論？
尼古拉斯·吉辛：是的。 我認為愛因斯坦很多時候都非常準確且富有創造力，他提出了諸如“上帝不擲骰子”或“奇怪的遠距離行為”之類的說法。 因此，“幽靈般的遠距離作用”實際上反映了這樣一種想法：你正在日內瓦接觸顆粒物，而美國那邊的顆粒物正在震動。 所以存在某種遠距離作用。 愛因斯坦說：“這很奇怪。它不可能是真的。它一定很奇怪。”
當時，我想說，令人驚訝的是，物理學家對此沒有太多關注……當時，絕大多數物理學家根本沒有關注這些問題和問題。 而且，當時不可能把它變成實驗。 有些人甚至認為這純粹是哲學問題，沒有任何物理意義。 正如我們后來看到的，這些人完全錯誤，但在當時這是普遍的觀點。
貝爾不等式的命題：從哲學到物理實驗
Adam Levy：實際上是在 1964 年愛因斯坦去世后，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了一個可能能夠解決這個問題的測試。 我們現在稱之為貝爾測試的核心是什么？
尼古拉斯·吉辛：現在想象一下，你有兩個處于最大程度、非常高度糾纏的粒子，為了解釋起見，將它們視為硬幣。 因此，您可以獲得兩種可能的結果。 如果你拋一枚硬幣，它可能是正面或反面。 現在，如果你以同樣的方式翻轉這兩枚硬幣的兩面，它們最終會同時正面或反面。
1982 年，約翰·貝爾和他著名的貝爾不等式。 資料來源：歐洲核子研究中心
Adam Levy：這是量子物理學預言的奇怪現象，也是愛因斯坦認為不可思議的。 這個想法是，如果兩個粒子糾纏在一起，然后將它們拉開，那么當你測量它們的某些屬性時，你會得到相同的結果，就像翻轉兩枚單獨的硬幣時得到相同的結果一樣。 就好像兩個粒子立即達成一致并決定同時出現 - 例如，正面。
但也可能有一個不那么神秘的解釋。 如果在將它們分開之前，粒子對拋硬幣時會出現的情況有一個秘密計劃。 那么就不會有量子糾纏，只有粒子將它們的計劃付諸行動。
尼古拉斯·吉辛：約翰·貝爾有一個天才的想法，稍微改變了他擲硬幣的方式。 假設現在以通常的方式拋擲一枚硬幣，但以稍微不同的方式拋擲另一枚硬幣。
Adam Levy：換句話說，如果我們以稍微不同的方式測量這兩個粒子，它們是否仍然彼此一致，可以這么說，就像同時出現頭一樣？
業余時間研究量子理論的理論粒子物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾意識到，這些略有不同的拋硬幣可能會解決粒子是否真的糾纏的問題，或者愛因斯坦拒絕這種量子之謎的觀點是否正確的問題。 如果愛因斯坦確實是對的，不存在糾纏，但粒子事先有一個秘密計劃，那么如果物理學家多次重復拋硬幣實驗，兩個粒子獲得一次的次數就會有一個極限，或者說上限。相同的結果。 。
尼古拉斯·吉辛：在量子力學中，你可以違反這個限制，所以這個限制就是我們所說的貝爾不等式。
Adam Levy：所以如果量子物理學是正確的，粒子確實是糾纏的，并且確實存在“幽靈般的遠距離作用”，那么當你重復實驗時，你會更經常地看到兩個粒子同時出現頭或兩者都出現所示側面。
這是因為粒子確實是相互關聯的，因此可以立即影響彼此的拋硬幣實驗。 換句話說，這個貝爾測試是一種測試哪種想法是正確的方法：量子理論對糾纏的預測，或者愛因斯坦和他對這種奇怪行為的懷疑。
尼古拉斯·吉辛：這實際上就是貝爾提出的，他把整個討論變成了一個潛在的實驗。
40多年后的貝爾測試
Adam Levy：貝爾實際上并沒有進行自己的測試，他只是提出了這個想法。 但什么時候有人真正進行了一項實驗，清楚地表明粒子確實以這種奇怪的方式糾纏在一起呢？
尼古拉斯·吉辛：是的。 約翰·貝爾是一位不知道如何進行實驗的理論家。 在 20 世紀 70 年代，我們等待了近 10 年，才首次進行實驗證明，在進行略有不同的測量時，測量到相同結果的概率更高。 這個實驗是由約翰·克勞瑟（John ）進行的。
亞當·利維：約翰·克勞瑟通過操縱鈣原子產生兩個明顯糾纏的光子（即光粒子）來進行貝爾測試。 然后可以以與拋硬幣類似的方式測試這些光子。 在這種情況下，意味著測量光的偏振方向，即光波的方向。 克勞瑟可以看到兩個光子產生相同結果的頻率。 該實驗確實觀察到違反貝爾不等式，表明這些光子確實是糾纏的。 愛因斯坦的假設似乎是錯誤的。
尼古拉斯·吉辛：這絕對是一個很棒的結果。 約翰·克勞瑟的問題是……實際上，他有兩個問題。
首先，美國有一個人在約翰·克勞瑟之后不久也做了同樣的實驗，但他得到了不同的結果。 那么顯然其中一個是錯誤的，但是你怎么知道哪一個是錯誤的呢？
此外，在 20 世紀 70 年代，這些都還沒有被認為是嚴肅的物理學，約翰·克勞瑟 (John ) 從未真正晉升為任何大學的教授。 因此，他的職業生涯實際上受到了損害，非常嚴重的損害2023年諾貝爾物理學獎量子糾纏論文，因為他是第一個進行貝爾測試的人。
然后還有另一個實驗，但那是在 20 世紀 80 年代。 你看，每項實驗都是相隔近十年、一個接著一個進行的。
第三個實驗是由阿蘭·阿斯佩（Alain Aspe）和他的合作者在法國巴黎進行的。 他們進行了一項實驗——質量更高、效果更好，但時間更長。 他們在一定程度上解決了這個問題，支持了量子力學的觀點。 因此，糾纏無疑是自然的一個真實特征，而不僅僅是一種理論。
Adam Levy：所以這些實驗支持了量子力學并削弱了愛因斯坦的懷疑論。 這些實驗表明“幽靈般的遠距離作用”是真實存在的現象。 但我了解到這還沒有結束，仍然存在需要解決的問題，通常稱為漏洞。
特別是，有一種觀點認為粒子不會立即相互影響，而是以某種方式提前計劃，然后以某種方式誘騙進行測試。 物理學家將這種可能的粒子欺騙稱為局部變量。 您能否解釋一下我們采取了哪些措施來堵住這些漏洞并證明糾纏是自然界的一個真正特征？
尼古拉斯·吉辛：阿蘭·阿斯佩實驗的主要缺陷是，要做這個實驗，你需要生成這些光子對。
你沒有把它們分別送到日內瓦和美國，而是把它們送到一個長約10米的大實驗室的兩端。 所以光子相距 10 米，然后你需要測量它們。
然而，在實際實驗中，當您進行這些測量時，最常見的結果是您沒有得到任何結果，只是因為光子在途中丟失了，或者探測器不是 100% 有效，因此探測器通常不會看不到光子。 光子很容易丟失或未被檢測到。 所以你現在可以真正想象這些假設的局部變量將決定何時檢測到光子以及何時不檢測到光子。 即使一切都由局部變量引導和驅動，您也可以解釋實驗結果。
所以這仍然是一個需要測試的事情。 這項額外的測試實際上直到 2015 年才出現，距艾倫·阿斯佩 (Alan Aspe) 的實驗差不多 30 年了。 獲得足夠好的單光子探測器需要相當長的時間。
偏執物理學：不斷被實驗驗證
Adam Levy：該測試有效地利用光子和電子的組合來解決探測問題，并且可以對一公里范圍內的成對糾纏粒子進行測量。 從那時起，貝爾又進行了許多其他測試來消除其他類型的漏洞，利用從衛星到電腦游戲的一切手段來突破該領域的極限。
但是，通過所有這些漏洞檢查，物理學家是否有點偏執，他們認為這些粒子以某種方式串通一氣，愚弄測試，讓他們認為它們的行為很奇怪？
尼古拉斯·吉辛：這確實是偏執狂。 然而，貝爾不等式的違反意味著量子理論的這一特征不僅僅是理論的特征，更是自然的特征。 因此，它改變了物理學呈現給我們的世界觀。 因此，這是一個如此重大的變化，這樣一個概念革命，以至于關注這個假設的局部變量是有意義的，它將決定何時應該檢測到或不檢測到光子。 有意義的。
所以我認為真正深入研究并記住物理學實際上是一門實驗科學是有意義的，僅僅思考理論是不夠的，你必須實際做實驗。 所以我認為這樣做是有道理的2023年諾貝爾物理學獎量子糾纏論文，但我同意幾乎沒有人，我認為甚至實驗物理學家，相信他們會證偽量子力學。 盡管如此，做這個實驗還是有意義的。
一個重要的應用：加密密鑰
Adam Levy：現在，這都是理論上的嗎？ 或者理解量子世界以及如何以這種方式進行這些實驗是否會導致在更平凡的日常世界中的任何應用？
尼古拉斯·吉辛：確實如此。 當這個討論從愛因斯坦開始時，在某種程度上純粹是哲學性的，然后約翰·貝爾將其變成了一個可能的實驗，約翰·克勞瑟進行了第一個實驗，而艾倫·阿斯佩進行了第一個可以說是真正具有決定性的實驗。 然后突然在 90 年代，人們意識到這種非常抽象的思維有實際用途，因為如果你總是或幾乎總是在兩個粒子之間得到相同的結果，并且該結果是隨機的，那么你就會在長距離上獲得隨機性。 非局部隨機性與加密密鑰非常接近。
加密密鑰可以被視為密碼。 什么是密碼？ 雙方之間必須是相同的，例如您與亞馬遜或您的銀行或您想以保密方式與之溝通的任何人之間。 而且它必須是隨機的。
所以這里我們已經有了鑰匙。 另外，我們現在在物理學中知道的另一件事是，根據糾纏理論，如果兩個粒子非常糾纏，那么它們就不能與其他任何粒子糾纏。 它們不能與第三個粒子糾纏在一起。
所以這也保證了保密性。 如果你與銀行糾纏，雙方都可以獲得相同的隨機密碼。 此外，您還可以確保其他人都沒有密碼的副本，這正是您想要的。 因此，密碼學實際上在本質上非常接近于違反貝爾不等式。
但這是一場徹底的革命，我們突然意識到這些奇怪的量子相關性、貝爾不等式、局部變量的潛在存在或不存在實際上是加密密鑰。 因此，它們在我們這樣的信息化社會中非常有用。
諾貝爾獎是對量子糾纏實驗研究的全面認可
2022年諾貝爾物理學獎獲得者。 從左到右：阿斯佩、克勞瑟、塞林格。來源：諾貝爾獎官網
Adam Levy：所以，2022 年諾貝爾物理學獎實際上是頒發給實施貝爾測試的工作的。 這項榮譽對于認可這項工作是否具有重要意義？
尼古拉斯·吉辛：嗯，我認為 2022 年諾貝爾獎不僅是對三位獲獎者（約翰·克勞瑟、艾倫·阿斯佩和安東·蔡林格）的認可，也是對整個領域的認可。 認識到這一領域在過去幾十年里一直被忽視。 我必須說，諾貝爾委員會沒有將諾貝爾獎授予約翰·貝爾是一個很大的錯誤。 他本來應該得獎的，但是他死得太早了，或者說諾獎委員會反應太慢了，或者是其他什么原因。
所以我個人很高興這個獎頒給他們，當然只頒給這三個人，但是在這三個人之外，它確實認可了一個長期以來一直受到嚴厲批評的領域。 最好的例子是約翰·克勞瑟（John ），他是第一個完成貝爾測試的人，但從未在任何大學獲得職位。 很多類似的工作都被忽視了，直到 50 年后他被授予諾貝爾獎。 所以這真的很了不起，我不知道在科學界發生過多少次這樣的情況，一個領域在很長一段時間內，甚至幾十年來都被嚴重忽視。
當我自己開始研究它時，我會說除非晚上 9 點之后，否則幾乎不可能在這個領域工作 - 因為你不能靠它謀生。 諾貝爾委員會現在認可了這個領域，這真是太好了。
“遠距離幽靈效應”的爭論解決了嗎？
Adam Levy：現在可以說塵埃落定了嗎？ 現在我們可以肯定地說，宇宙確實很奇怪，貝爾測試中沒有漏洞，也沒有串通粒子欺騙我們嗎？
尼古拉斯·吉辛：是的，除了我不會使用“怪異”這個詞，我不認為這里有什么怪異的，相反，它非常非常真實。 我的意思是，現在這已在實驗室中例行完成，甚至還有學生在實驗室中進行這些練習。 這是一些非常精美的東西。
Adam Levy：過去，我猜是過去一百年，我們對量子行為的理解實際上已經進展到什么程度了？ 你怎么認為？
：我認為實際上是在過去的 30 年里，因為對我來說，真正的理解始于理解這些非局部量子相關性可以自然地生成密鑰 - 這是有用的東西。 你可以看到這個變化。
最初都是講波粒二象性，現在幾乎沒人再講波粒二象性了。 人們都在談論糾纏。 糾纏真正改變了量子力學并使其變得如此特別。 今天，我認為這個領域沒有一篇論文、沒有一本書、沒有一場講座不提到糾纏。 于是糾纏終于被理解為量子力學的本質。
Adam Levy：事實上，今天，糾纏，這種“遠距離作用”，愛因斯坦認為難以想象的東西，是許多量子技術的核心，無論是確保你和銀行之間的連接保密和安全的新形式的加密通信，或長期致力于構建具有實際應用的量子計算機。 直到今天，物理學家和記者仍然經常將糾纏稱為量子的一種奇怪的特性。
物理學家花了很長時間思考愛因斯坦對量子物理學的抱怨，甚至花了更長的時間來證明他是錯的，并證明糾纏是我們宇宙運行的基本方式，是分離粒子的關鍵。 它們之間存在某種同步。 但今天的物理學家并沒有浪費任何時間，正在迅速將“遠距離奇怪效應”付諸實踐。
原標題《從‘’到法則’》，作者 Adam Levy，于 2023 年 7 月 18 日以播客形式發表。字幕由編輯添加。 本文封面圖來自Flick。
