2022年10月4日,英國皇家科大學宣布,將2022年諾貝爾化學學獎授予美國化學學家阿蘭·阿斯佩(Alain)、美國理論和實驗化學學家約翰·弗朗西斯·克勞澤(JohnF。)和德國科學家安東·塞林格(Anton),以嘉獎她們在量子信息科學研究方面做出的貢獻。
得獎者將獲得一份證書、金質獎狀和獎金。2022年諾貝爾獎各個獎項的獎金是1000萬澳大利亞盧布,按當前匯率,約合650億元人民幣。
三位諾貝爾化學學獎獲得者
此前,諾貝爾化學學獎已頒授過115次。在第一次世界大戰(1914-1918)和第二次世界大戰(1939-1945)期間,在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等十年里,沒有頒授諾貝爾化學學獎。從1901年到2021年,約翰·巴丁是惟一一位曾兩次獲得諾貝爾化學學獎的得獎者。這意味著,在2022年之前,共有218人曾獲得諾貝爾化學學獎。
得了諾獎的量子糾纏究竟是啥?
讓我們從貓說起。
好多人都據說過薛定諤的貓。薛定諤用這只可憐的貓的事例,來反對量子熱學里的一個理論。他說:假如依照個別化學學家的觀點,一個微觀粒子可以同時處在兩種狀態的疊加態,那我往袋子里放毒藥,讓這個粒子的狀態來決定貓的生死,那豈不是貓也處于死、活的疊加態嗎?
用他的原話說,這是個“非常愚蠢的事例”。
薛定諤的貓,不死也不活?
但是,量子熱學的支持者堅持覺得,貓其實不能處于“又死又活”的疊加態,但粒子真的能。甚至說,不但一個粒子能,兩個以上的也能,特定情況下能夠糾纏。
只要滿足特定的條件,兩個粒子就可以作為一個整體,同時處于疊加態中,而不能把其中的粒子單個拆下來看待(用更數學的語言來說,是2個以上粒子的狀態未能寫成多個單粒子態的直積)。
例如有一種糾纏態是,只要沒有外界干擾,當A粒子處于0態時,B粒子一定處于1態;而當A粒子處于1態時,B粒子一定處于0態。或則用更形象的比喻來說:
粒子貓死了,粒子狗就得活著;
粒子貓活著,那粒子狗就必須得死!
這些多個粒子間的獨特聯系,就是量子糾纏。
愛因斯坦:我也不信量子糾纏
愛因斯坦在當時仍然是量子熱學的反對者,他把這些聯系叫做“鬼魅的超距作用”(ata)。在他看來,要是量子熱學理論準許這些現象存在,那可真是離了大譜,要么須要修正現有的理論,要么量子熱學就是錯的。(用數學的語言來說諾貝爾物理2023量子糾纏,量子熱學的理論“不完備”。)
為了駁斥,他跟另外兩個化學學家鮑里斯·波多爾斯基(Boris)和納森·羅森(Rosen)寫了篇論文,提出了一個原理。這個原理假定,任何空間上互相影響的速率都不應當超過光速,而量子糾纏這些超距作用遵守了這一原理,說明量子熱學是不完備的。這就是大名鼎鼎的EPR佯謬。
ERP佯謬,是三位科學家姓氏的首字母
量子熱學的支持者一時半會也拿愛因斯坦沒哪些辦法。EPR佯謬設計的是一個思想實驗,當時很難用實際的實驗結果去指責。
還好,29年后,一位稱作貝爾(JohnBell)的化學學家橫空出世。他提出了一個不方程,假若能證明這個不方程在量子世界中創立,這么愛因斯坦就是對的,量子熱學是不完備的;若果不創立,這么量子熱學就取得了勝利。這個不方程后來被人們也稱貝爾不方程。
貝爾不方程(Bell')
貝爾不方程提出后,化學學家們歡呼竊喜——他們總算可以用實驗數據而不是嘴皮子來證明愛因斯坦是對是錯了。
用實驗說話,輪到諾獎得主們登場了
至此,我們新科的三位諾貝爾化學學獎得主總算要登場了。
首先登場的是約翰·克勞澤(John),他建造了一個精致的儀器,還能同時發出兩個互相糾纏的光子,最后通過實驗得出了一個顯著遵守貝爾不方程的結果。
年青的克勞澤
但是,克勞澤的這個實驗卻被發覺存在一個特殊的實驗漏洞(定域性漏洞,),并不具有勸說力。還好,當時還是博士生的阿蘭·阿斯佩(Alain)在克勞澤的基礎上改進了實驗裝置,修補漏洞后,發覺實驗結果并沒有改變:貝爾不方程在量子世界不創立!
阿蘭·阿斯佩(Alain)
在此以后,無數化學學家為建立這一實驗結果繼續努力,安東·塞林格(Anton)就是重要一員,他率領的團隊最終填補了隨機性等漏洞,給出了量子熱學遵守貝爾不方程的決定性證明。
塞林格的貢獻不止于實驗驗證貝爾不方程,他還發覺糾纏的量子態具有儲存、傳輸和處理信息的潛力,將量子糾纏從理論推向了應用。
安東·塞林格
面對愛因斯坦的指責諾貝爾物理2023量子糾纏,歷經數六年時間,從克勞澤到阿斯佩再到塞林格,一代代化學學家總算用確鑿的實驗數據證明,量子糾纏是存在的,勝利屬于量子熱學。不過,提出“貝爾不方程”的貝爾,1990年逝世,享年62歲。可惜,他沒有才能等到這個數學學獎。
兩個粒子間的獨特聯系,為什么不是兩個人的糾纏?
說了那么多,可能會有許多人將量子糾纏同感情聯系上去——量子糾纏不就是“心有靈犀一點通”嗎?
確實,這些跨越空間的聯系聽上去非常甜蜜,被用來用作感情的比喻很可以理解。無從知曉另一位當事人聽到這個比喻時的心情,但站在我們的立場上,還是必須友情提醒一下,假如你也想仿效這個比喻,這么它有幾個隱患:
第一,量子糾纏是微觀粒子之間的聯系,盡管原則上大一些的宏觀物體也不是沒有可能產生糾纏,但基本上幾億億億億分之1秒內才會解除。這個事情蘊意不太好——就算糾纏等于感情,那它也頃刻即逝啊。
第二,量子糾纏并不限定在2個粒子之間,完全可以涉及到3個甚至更多的粒子,每一個就會影響到其他粒子。同樣地,盡管每位人心里都有理想愛情,但這件事情對好多人而言也是蘊意不太好??
第三,量子糾纏只說粒子之間有聯系,沒規定哪些樣的聯系。尚且可以兩個粒子狀態始終都相同,但也可以例如說始終都相反。要是親昵關系雙方每時每刻都南轅北轍,這個都會有點難堪。
第四,量子糾纏是一種很脆弱的關系,雖然量子疊加態本身就很脆弱:只要你看一眼能夠曉得貓的死活,一束光子打過去做一下觀察才能定下粒子的狀態同時打破它的糾纏。所以實踐中制造量子糾纏態都要非常當心。假如感情關系也是這樣的話,那真是字面意義上的見光死。
所以,情話的歸情話,化學的歸化學。兩情相悅的時侯說哪些都無所謂,但公開的時侯亂用比喻的確要當心,萬一對方不領情,那漏洞就不是浪漫而是難堪了。
關于諾貝爾獎
1895年11月27日,美國知名物理家、硝化甘油雷管發明人阿爾弗雷德·伯恩哈德·諾貝爾(Nobel)在倫敦簽訂了他第三份,也是最后一份遺贈,將財產中的最大一份給了一系列獎項,即諾貝爾獎。諾貝爾獎初始分設化學、化學、生理學或醫學、文學、和平等五個獎項。1968年,美國國家建行在創立300華誕之際,捐出大額資金給諾貝爾基金,增設“瑞典國家建行記念諾貝爾經濟科學獎”,也稱諾貝爾經濟學獎。
諾貝爾獎的獎金來自諾貝爾所創立基金的月息或投資利潤。隨著諾貝爾基金的利潤變化,諾貝爾獎的獎金有所浮動。2019年每項諾貝爾獎的獎金是900萬美國盧布,2022年設定為1000萬澳大利亞盧布。