北京時間2022年10月4日，2022年諾貝爾物理學獎宣布授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國理論與實驗物理學家約翰·F.（John F.）、奧地利量子物理學家安東·蔡林格（Anton ），以表彰他們的研究成果。 “關于糾纏光子的實驗證明了貝爾不等式的違反并開創了量子信息科學。” 談起三人的貢獻，就不得不談起人類認識量子力學的過程。 量子力學是物理學的一個分支，它在原子和亞原子領域的粒子尺度上解釋自然，包括光子、電子和夸克。 基本思想是這些微觀粒子的屬性是概率性的。
上帝不玩骰子
眾所周知，愛因斯坦既是量子力學的創始人，又是量子力學的批評者。 他對這一理論最強烈的抱怨可以用一句話來概括：“上帝不玩骰子。” 幾乎每個人都知道這句話，但這句話的真正含義是什么？
量子力學是一種非確定性理論，這意味著它無法預測實驗的確切結果，它只能預測實驗中進行的每個可能測量的每個可能結果的概率。 在愛因斯坦看來，事物應該是真實的、確定的，不因測量而改變。 概率只是因為現有的量子理論不完整。 因此，他認為應該有一個潛在的現實隱藏在我們面前（隱變量），而量子力學只是對這個現實的近似解釋。
在量子力學中，量子糾纏被解釋為一種物理現象，其中一組粒子彼此相關，必須以整體方式描述。 組中每個粒子的量子態不能獨立于其他粒子的狀態來描述。 如果兩個粒子量子糾纏，觀察者通過“觀察”確定一個粒子的量子態，而另一個粒子的量子態也會同時塌縮，無論兩個粒子相距多遠。 （例如數億光年之外），這稱為“非定域性”。 玻爾和薛定諤等著名科學家支持量子糾纏的非局域性質。
愛因斯坦與玻爾的辯論
如果粒子有某種方式可以及時“交換信息”，那一定是遠距離的瞬時信號，這與相對論中光速無法超越的理論相悖。 因此，量子糾纏被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距現象”，并對這一理論提出質疑。 1935 年，他與普林斯頓大學的同事鮑里斯·波多爾斯基 (Boris ) 和內森·羅森 ( Rosen) 一起發表了一篇論文，表明量子力學解釋似乎無法提供對現實的完整描述，即所謂的 EPR 悖論。 愛因斯坦認為，糾纏粒子之所以相互關聯，正是因為它們包含某種“隱變量”。
如何用實驗來區分糾纏粒子之間的相關性是由于量子力學的內在性質還是由于某種“隱變量”？
貝爾不等式
約翰·斯圖爾特·貝爾
1964年，在瑞士歐洲核子研究組織（CERN）工作的北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Bell）對證明隱變量的存在感興趣。 他的專業是核物理，主要研究量子力學。 一個愛好。 他發表了一篇開創性的論文，其中他設計了一個實驗，根據嚴格的數學推理來確定這個問題。 如果貝爾的實驗重復多次，所有帶有隱變量的理論都會導致結果之間的相關性小于或等于某個值。 這稱為貝爾不等式。 如果實驗結果違反了這個不等式，就意味著不存在隱變量，量子力學中對糾纏的解釋是正確的。
要進行糾纏實驗，必須首先準備相互糾纏的粒子。 美國物理學家約翰·惠勒（John ）此前曾假設，當正電子和負電子相遇時，它們會湮滅并發射出一對光子。 這對光子相互糾纏。 早在1948年，在哥倫比亞大學吳建雄的實驗室里，吳建雄和薩科諾夫就首次成功地進行了這一實驗。 這也是人類第一次制備出糾纏粒子。 但此時的糾纏粒子并不穩定，無法用來驗證貝爾不等式。 貝爾最初計劃用自旋電子對進行實驗驗證，但由于實驗難度較大而未能如愿。
克勞瑟的實驗
約翰·克勞瑟在他的實驗設備前
勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的約翰·克勞瑟 (John ) 和研究生斯圖爾特·弗里德曼 ( ) 率先將貝爾的實驗從紙上帶到了實驗室。 包括理查德·費曼在內的著名物理學家勸阻克勞瑟進行這項實驗，認為量子力學不需要進一步的實驗證明，但貝爾親自寫了一封信鼓勵克勞瑟完成這項研究。
克勞瑟認為，如果使用糾纏光量子而不是自旋電子，進行貝爾實驗會更可行。 但正負電子碰撞能量過高，產生的光子頻率過高，給實驗帶來困難。
1972年，克勞瑟和弗里德曼首次利用光的偏振成功完成了貝爾實驗。 他們提出了一種獲得糾纏光子的新方法。 當鈣原子受到紫外線照射時，電子可能被激發到高兩個能級的狀態。 那么當能量回落時，可能會連續回落到兩個能級，有一定的概率會輻射出兩個糾纏的電子。 光子。 當使用鈣原子時，會輻射出波長為551nm的綠色光子和423nm的藍色光子。 就像電子的自旋可以呈現兩個不同的方向一樣，光子的偏振（偏振）可以呈現相對于偏振器方向的兩個值之一。
一旦發生測量，光子偏振的量子態就會塌陷到特定方向，并且由于糾纏，兩個光子的偏振方向必須彼此垂直。
因此，在實驗中，兩個光子各通過一個偏振濾光片。 兩個濾光片的偏振角彼此垂直。 如果兩個光子都穿過偏振片或者都不穿過偏振片，則說明兩個光子的偏振相關。 性，即糾纏。 如果一個光子通過偏振而另一個光子沒有通過，則兩者之間缺乏相關性。
在實驗之前，克勞瑟還下了 2 美元（一些記錄稱 500 美元）的賭注，認為他的實驗將證明愛因斯坦是正確的。 實驗結果讓他很失望。 經過多次光量子實驗，結果違反了貝爾不等式，排除了微觀世界中任何“隱變量”的存在。 愛因斯坦錯了，克勞瑟輸掉了賭注，但卻為量子力學贏得了巨大的勝利。
克勞瑟實驗的局限性之一是它在產生和捕獲光量子方面效率較低。 制備糾纏光子對是非常困難的。 大約一百萬個光子中可能存在一對糾纏光子。 因此，這個實驗還是相當困難的。 克勞瑟和弗里德曼花了很長時間，總測試時間超過了200小時。
更重要的是，由于偏光鏡是固定角度，測量是預設的，這可能會導致貝爾實驗的隱藏變量出現漏洞。 接下來我們看看另一位獲勝者艾倫·阿斯佩是如何填補克勞瑟實驗中的漏洞的。
阿斯佩的實驗
阿蘭·阿斯佩和他的實驗裝置
九年后的1981年，正在攻讀博士學位的阿斯佩也關注到了貝爾不等式實驗。 在攻讀博士學位期間，阿斯佩發表了三篇論文。 在第一篇論文中，他重現了克勞瑟的實驗，并對克勞瑟的方法進行了很大的改進，提高了獲得糾纏光子的效率。 因此，他選擇了已經比較成熟的激光作為激發鈣原子的光源。 大大提高效率。 最終的實驗結果比克勞瑟當年獲得的數據高出幾個數量級。 他們還違反了貝爾不等式，該不等式證實了粒子之間存在糾纏，而不是隱藏變量。
在第二篇論文中，Aspe采用了雙通道的方法來提高光子的利用率，減少之前實驗中的“檢測漏洞”。 這次實驗也取得了巨大成功，最終以40倍誤差范圍的偏差違反了貝爾不等式，再次有力證明了量子力學的正確性！
在第三篇論文中，阿斯佩還將“延遲選擇實驗”與貝爾實驗結合起來。 通過發射糾纏光子，然后隨機改變偏振器的角度，他進一步證明了糾纏光子之間不存在相互信號傳輸。 可能隱藏變量中可能存在的漏洞被堵住了。
然而，科學界隨后對Aspe實驗中的“隨機性”提出了挑戰，認為如果隨機數發生器和光子發射源過去通過某種隱藏機制相互作用，那么觀察者的測量設置甚至會影響光子本身的一些性質會受此影響，導致實驗觀察到一些不應該存在的相關性。 為了解決這個問題，三十年來進行了多次貝爾實驗，以填補“未知隱變量”可能存在的漏洞。 安東·蔡林格 (Anton ) 是其中最優秀的人之一。
賽林格的實驗
Anton 位于維也納的實驗室
這項實驗由奧地利量子光學與量子信息研究所的蔡林格進行，是迄今為止最大規模的量子力學測試。 他的實驗仍然使用糾纏的光子對。 該實驗利用六架望遠鏡和一系列光學設備收集數十億年前某些星系發出的光線史野物理學家，將驗證范圍擴大到整個宇宙和時空，試圖將隨機數生成工作外包給宇宙本身以獲得最大可能的隨機性。 而且，產生不同隨機數的恒星彼此相距數億光年，它們之間絕對不可能通過某種遵循相對論的“隱變量”信號（即，低于光速）。
在科學史上，蔡林格的實驗被稱為“維也納屋頂實驗（下）”。 他們將糾纏光子源放置在維也納大學化學與物理研究所的屋頂上，光子探測端位于相距1700米的兩棟建筑內。 每當夜幕降臨史野物理學家，兩地的研究人員都會用小型望遠鏡觀察天空中南北方向的星星，望遠鏡收集到的星光會傳輸到測量波長的儀器上。 如果星光的波長低于 700 納米，儀器將以一種方式生成結果（例如生成數字 1），反之亦然。 這是宇宙中恒星發射的光子隨機產生0和1來設置測量參數。
與之前的所有實驗一樣，維也納屋頂實驗也表明量子力學是正確的，并且在光子到達地球所需的 600 多年時間內不存在可以影響觀測設置的“隱藏變量”。 利用這種方法，蔡林格成為第一個堵住貝爾糾纏光子實驗中所有隱變量漏洞的人。
值得一提的是，中國潘建偉院士是蔡林格當時的主要助手。 由于糾纏光子可以在幾乎空無一物的自由空間中行進很長的距離，進一步分離兩個糾纏光子的探測端可以更好地堵塞貝爾實驗中的漏洞。 2017年6月，潘建偉院士的中國團隊通過墨子號量子通信實驗衛星向德令哈和麗江分發了糾纏光子對。 實驗中，創下了1203公里的量子糾纏最遠距離記錄。 實驗結果再次表明貝爾不等式不成立，這一結果以封面論文的形式發表在《》上。
此外，作為量子領域的領軍大師，蔡林格的貢獻還包括首次實現了量子隱形傳態。 這是一種利用分散的量子糾纏和一些物理信息的轉換（）將量子態傳輸到任意距離的技術。 這是一種全新的溝通方式。 它傳輸的不再是經典信息，而是量子態承載的量子信息。 借助量子糾纏，待傳輸的量子態神秘地消失在一處，仿佛經歷了科幻小說中描述的“超時空傳輸”。 它不需要任何載體來承載，神秘地出現在另一個地方。
1997年，蔡林格研究團隊在室內完成了量子隱形傳態的首次原理實驗驗證，成為量子信息實驗領域的經典。 2004年，該團隊利用多瑙河底部的光纖通道，成功地將量子隱形傳態距離提高到600米。
總結
三位諾貝爾獎獲得者克勞瑟、阿斯佩和蔡林格的實驗持續了半個世紀。 在貝爾天才的數學洞察力和嚴謹的推理的指導下，他們揭示了我們宇宙的本質。 它要么是非確定性真實的，這意味著微觀粒子的狀態在被測量之前是不確定的概率存在； 或者它是非局部的，這意味著即使在很遠的距離上，微觀粒子也可以是瞬時的。 互相影響。 這些違反我們對宏觀世界直覺的現象為當今的量子計算和量子通信等應用奠定了基礎。
克勞瑟、阿斯佩和蔡林格是三位諾貝爾獎獲得者
最后，回到2022年諾貝爾物理學獎的獲獎理由：“糾纏光子實驗證明了貝爾不等式的違反，開創了量子信息科學的先河”。 這個理由再次證明了光學和光量子對量子領域乃至整個物理學的根本性和革命性影響。
光子學一直是研究量子力學、推進量子信息科學、發展量子技術的旗艦體系。 正是對光本質的探索、普朗克對黑體輻射的光譜分析、愛因斯坦對光電效應的研究催生了量子力學，以及雙縫干涉等一系列科學史上的經典實驗。實驗和惠勒的延遲選擇實驗，以及這次諾貝爾獎的貝爾實驗，正在逐步揭示光和其他物質在量子世界中的波粒二象性。 干涉、疊加、糾纏等展示了量子世界中不同且違反直覺的定律。 。 以激光為代表的光學技術帶來的加工、測量、操縱等方面的全方位工程技術進步，推動了物理、天文學、宇宙學、化學、醫學等學科的跨越式發展。 據不完全統計，至少有40位諾貝爾獎得主的成就與光學有關。
如今，量子信息技術快速發展，量子通信已實用化，基于光量子的量子通信已開始形成網絡。 隨著基礎技術和理論解決方案的不斷發展，光量子計算也取得了長足的進步，代表著一條令人興奮的中大規模處理之路，甚至被認為是實現百萬量子比特規模量子計算的唯一途徑。
近年來，隨著量子光源的改進、光量子集成平臺的發展、探測器的改進以及新穎的抗噪聲理論方法的發展，光量子作為量子信息處理和量子網絡的主要地位得到進一步鞏固。 未來，光量子必將擁有巨大的潛力。
附：2021年諾貝爾獎回顧
此外，去年諾貝爾物理學獎的一半被授予真鍋周郎和克勞斯·哈塞爾曼，以表彰他們“對地球氣候進行物理建模，量化變異性并可靠地預測全球變化”。 另一半則授予喬治·帕里西（ ），以表彰他“發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動的相互作用”。
帕里西的研究涉及自旋玻璃理論，該理論解釋了混沌邊緣的復雜現象。 帕里西的自旋玻璃理論在伊辛模型的基礎上進行了擴展，深刻地揭示了無序系統中隱藏的對稱性。 伊辛模型對于這些處于混沌與秩序邊緣的復雜現象來說是一個很好的數學模型，并且具有廣泛的跨學科應用，例如金融股票市場、種族隔離、政治選擇等復雜問題。 Ising 模型可用于對神經網絡系統進行建模，以構建能夠適應環境并持續學習的機器（網絡或玻爾茲曼機器）。 帕里西還因“發現無序復雜系統中隱藏的模式”而獲得 2021 年諾貝爾物理學獎。
文：王恒