諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在其官方介紹中表示，量子力學(xué)現(xiàn)在擁有廣泛的研究領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全量子加密通信。
諾貝爾物理委員會(huì)主席伊爾巴克表示：“越來(lái)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(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超出了解釋量子力學(xué)的基本問(wèn)題”。
北京計(jì)算科學(xué)研究中心教授薛鵬提前猜出了今年的獲獎(jiǎng)?wù)摺?她告訴《惠譜》，這三位獲獎(jiǎng)?wù)呤钱?dāng)之無(wú)愧的。 以下是薛教授對(duì)今年獲獎(jiǎng)作品的科普介紹。
撰寫(xiě)者 | 薛鵬
2010年，法國(guó)的阿蘭·埃斯佩特（Alain）、美國(guó)的約翰·克羅澤（John ）和奧地利的安東·吉林格（Anton ）三位物理學(xué)家“因其在量子物理學(xué)方面的工作而獲得認(rèn)可”。 他因其基本概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)而被授予沃爾夫獎(jiǎng)，特別是一系列日益復(fù)雜的貝爾不等式檢驗(yàn)。
美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)科普網(wǎng)站預(yù)測(cè)，這三位物理學(xué)家將在2019年、2020年、2021年連續(xù)三年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為，量子糾纏是一種遠(yuǎn)距離相互作用，是令人難以置信的，并且違反了狹義相對(duì)論。 相反，他在普林斯頓大學(xué)的助手鮑里斯和羅森提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，這就是著名的 EPR 悖論。 描述A和B是自旋為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，即 |up> 和 |down>。 那么，如果粒子 A 的自旋為 |up>，則粒子 B 的自旋必定為 |down>，這樣才能保持整體守恒。 反之亦然。 這時(shí)我們說(shuō)這兩個(gè)粒子構(gòu)成了量子糾纏態(tài)。
兩個(gè)粒子 A 和 B 朝相反方向飛行。 他們的距離越來(lái)越遠(yuǎn)了……無(wú)論距離有多遠(yuǎn)，他們總應(yīng)該是|上>|下>相關(guān)的。 這兩個(gè)粒子由兩側(cè)的觀察者愛(ài)麗絲和鮑勃進(jìn)行測(cè)量。 根據(jù)量子力學(xué)，只要Alice和Bob沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2023量子糾纏的意義，每個(gè)粒子就應(yīng)該處于某種疊加態(tài)。 例如，|upper>和|lower>分別是概率為50%的疊加狀態(tài)。 那么，如果Alice測(cè)量A，A的疊加狀態(tài)瞬間崩潰，例如崩潰成|UP>。 現(xiàn)在，問(wèn)題出現(xiàn)了：既然 Alice 將 A 測(cè)量為 |upper>，由于守恒，B 必定為 |lower>。 然而，此時(shí)A和B之間的距離已經(jīng)很遠(yuǎn)了，比如說(shuō)幾萬(wàn)光年。 根據(jù)量子力學(xué)理論，B也應(yīng)該有一半|upper>和一半|lower>的概率。 為什么它能做到這一點(diǎn)？ 總是選擇|下一步>？ 除非有某種方法可以在粒子A和粒子B之間及時(shí)“交換消息”？ 即使假設(shè)它們可以相互感知，這似乎也是遠(yuǎn)距離的瞬時(shí)信號(hào)！ 而這種遠(yuǎn)距離作用，與相對(duì)論認(rèn)為光速無(wú)法被超越的理論是相悖的。 所以，這就構(gòu)成了一個(gè)悖論。
處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子之間的相關(guān)性與粒子之間的距離無(wú)關(guān)； 可以同時(shí)測(cè)量，也可以延遲測(cè)量，即超光速測(cè)量； 它與太空環(huán)境無(wú)關(guān)，不能被電磁屏蔽、重力屏蔽等它們的關(guān)聯(lián)所阻擋。
愛(ài)因斯坦認(rèn)為這種現(xiàn)象永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生，并將其稱(chēng)為幽靈般的超距作用。 問(wèn)題源于“量子力學(xué)是不完備的”。
玻爾認(rèn)為，量子世界是非定域的，這種遠(yuǎn)距離作用必定存在，并且量子力學(xué)是完備的。
因此，他認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的，他希望建立一種更加普遍的局域?qū)嵲谡摾碚搧?lái)彌補(bǔ)量子理論的缺陷，消除遠(yuǎn)距離效應(yīng)。 作為愛(ài)因斯坦思想的繼承人，玻姆于1952年引入了“隱變量”，并形成了基于局部實(shí)在論的完全決定性的理論——局部隱變量理論。 下面是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證量子力學(xué)理論是否正確完整或者局部隱變量理論是否正確完整。
貝爾定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是為了檢驗(yàn)量子力學(xué)理論或局部隱變量理論是否正確而設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)。 1964年，約翰·貝爾定義了一個(gè)可觀測(cè)量，并預(yù)測(cè)基于局部隱變量理論的測(cè)量值會(huì)很小。
這意味著局部隱變量理論是錯(cuò)誤的。
貝爾不等式的誕生宣告了量子力學(xué)理論的局部爭(zhēng)議，將其從純粹的哲學(xué)推測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)證偽的科學(xué)理論。 盡管貝爾作為愛(ài)因斯坦的追隨者，他研究隱變量理論的初衷是為了證明量子力學(xué)的非定域性是錯(cuò)誤的，但隨后的所有實(shí)驗(yàn)都表明，局域隱變量理論的預(yù)測(cè)是錯(cuò)誤的，量子力學(xué)的非定域性是錯(cuò)誤的。理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)相符。
1969 年，當(dāng)時(shí)是哥倫比亞大學(xué)研究生的約翰與霍恩、阿布納和霍爾特一起，通過(guò)現(xiàn)在稱(chēng)為霍恩-霍爾特 (CHSH) 不等式，將貝爾 1964 年的數(shù)學(xué)定理轉(zhuǎn)化為非常具體的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)。
1972年，約翰已經(jīng)是一名博士后研究員。 他和他的研究生是第一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的粒子可以糾纏的人。 約翰繼續(xù)進(jìn)行了三個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試量子力學(xué)和糾纏的基礎(chǔ)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2023量子糾纏的意義，每個(gè)新實(shí)驗(yàn)都證實(shí)并擴(kuò)展了他的結(jié)果。 – 該實(shí)驗(yàn)是對(duì) CHSH 不等式的首次測(cè)試，該不等式已在世界各地的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)百次測(cè)試，以證實(shí)量子糾纏的現(xiàn)實(shí)。 由于存在局域性漏洞，即糾纏粒子之間的距離太小，無(wú)法解釋糾纏的非局域性，因此結(jié)果并不令人信服。
1982 年，艾倫等人。 改進(jìn)了巴黎十一大學(xué)的貝爾定理實(shí)驗(yàn)，利用了鈣離子級(jí)聯(lián)輻射的光子對(duì)之間偏振態(tài)的糾纏。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾定理。
1998年，安東等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成了貝爾定理實(shí)驗(yàn)，徹底消除了定位漏洞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是確鑿的。
隨后這些年，大家因?yàn)橹皩?shí)驗(yàn)的不完善和漏洞，通過(guò)各種成對(duì)糾纏的例子來(lái)驗(yàn)證貝爾不等式。 例如，本地漏洞和檢測(cè)漏洞。 所謂局域漏洞是指糾纏粒子之間的相關(guān)性對(duì)應(yīng)時(shí)間超過(guò)了光速。 例如，如果檢測(cè)到一個(gè)粒子并獲得結(jié)果，則同時(shí)獲得另一粒子的結(jié)果。 然而，如果兩個(gè)粒子之間的距離不夠長(zhǎng)，那就不夠了。 實(shí)驗(yàn)證明，光以光速傳播所需的時(shí)間比得到另一個(gè)光子結(jié)果所需的時(shí)間要長(zhǎng)得多。 存在局部漏洞。 探測(cè)器的漏洞在于，因?yàn)樘綔y(cè)器效率不是100%，所以可以理解為所有探測(cè)到的粒子都違反貝爾不等式，而未探測(cè)到的粒子則不違反貝爾不等式。
2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的一個(gè)研究小組報(bào)告了他們完成的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證鉆石色心系統(tǒng)中的貝爾不等式。 為了避免局部漏洞，只需將兩個(gè)鉆石色心放置在相距 1.3 公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中即可。 利用糾纏光子對(duì)和糾纏交換技術(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了鉆石色心電子之間的糾纏。 兩個(gè)色心之間直接光通信所需的時(shí)間約為4.27微秒，完成一次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為4.18微秒，比光通信時(shí)間少了90納秒，從而解決了局部脆弱性。 此外，色心測(cè)量效率高達(dá)96%，測(cè)量漏洞也被堵塞。 簡(jiǎn)而言之，他們聲稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證貝爾不等式的完美實(shí)驗(yàn)，以96%的置信度（2.1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）支持量子理論，從而證偽了局部隱變量理論。
如果這兩個(gè)漏洞被堵住了，那么還有一個(gè)漏洞就是自由意志。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要選擇測(cè)量基準(zhǔn)。 有人認(rèn)為，測(cè)量基準(zhǔn)的選擇是受意識(shí)影響的，這就產(chǎn)生了漏洞。 于是，所謂的大鐘實(shí)驗(yàn)誕生了。
2016年，大鐘測(cè)試啟動(dòng)，并在全球招募了超過(guò)10萬(wàn)名志愿者。 實(shí)驗(yàn)中，要求所有志愿者根據(jù)個(gè)人自由意志不斷做出選擇，形成二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，并在益智游戲中快速隨機(jī)按下0或1，在時(shí)間內(nèi)不斷產(chǎn)生每秒1000比特以上的數(shù)據(jù)流。 12小時(shí)。 ，全部記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端，并實(shí)時(shí)隨機(jī)分發(fā)給分布在世界各地的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，以控制這些研究團(tuán)隊(duì)的貝爾不等式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。 大鐘實(shí)驗(yàn)相信人類(lèi)擁有真正的自由意志。 大鐘實(shí)驗(yàn)通過(guò)大量參與者的自由意志，在更大范圍內(nèi)堵住了自由選擇的漏洞，并強(qiáng)烈否定了愛(ài)因斯坦的局域性原理。
這三位科學(xué)家當(dāng)之無(wú)愧地獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 正如諾貝爾物理委員會(huì)主席所說(shuō)，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究已經(jīng)超越了解釋量子力學(xué)的基本問(wèn)題。 這是因?yàn)榛谌晃锢韺W(xué)家的研究，量子糾纏已經(jīng)在許多物理系統(tǒng)中得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)和利用。 例如，在我們的實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)激光穿過(guò)非線性晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，泵浦光子會(huì)分裂成一對(duì)光子，滿(mǎn)足相位匹配條件。 這對(duì)光子處于特定的糾纏狀態(tài)。 無(wú)論這兩個(gè)光子相距多遠(yuǎn)，比如一個(gè)留在我的實(shí)驗(yàn)室，另一個(gè)通過(guò)墨子號(hào)衛(wèi)星發(fā)送到太空，只要我們?cè)谖业膶?shí)驗(yàn)室測(cè)量并知道光子的狀態(tài)，就不需要測(cè)量遠(yuǎn)處的另一個(gè)。 當(dāng)太空中的光子進(jìn)行任何操作時(shí)，它們的狀態(tài)可以立即得知。
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。 當(dāng)應(yīng)用于量子計(jì)算時(shí)，它使我們能夠擁有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法比擬的強(qiáng)大計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)。 當(dāng)應(yīng)用于量子精密測(cè)量時(shí)可以讓我們有更精確的測(cè)量方法等等。
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