上海時(shí)間10月4日上午5點(diǎn)45分，化學(xué)學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain）、約翰·克勞澤（JohnF.）和安東·塞林格（Anton），一齊被英國皇家科大學(xué)授予了2022年度諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)，以嘉獎(jiǎng)她們“通過光子糾纏的一系列實(shí)驗(yàn)，打破了貝爾不方程的限制，并開創(chuàng)了量子信息的研究領(lǐng)域”。
這三位頂尖科學(xué)屋內(nèi)，阿蘭·阿斯佩來自美國，目前任教于倫敦-薩克雷學(xué)院和倫敦綜合理工大學(xué)；約翰·克勞澤來自英國，目前就職于自己在灣區(qū)獼猴桃溪市創(chuàng)立的一家公司；安東·塞林格是法國維也納學(xué)院的一名院士。她們兩人將平分1000萬澳大利亞盧布（約合人民幣650億元）的獎(jiǎng)金。
這么，量子糾纏指的是哪些？貝爾不方程的意義何在？三位諾獎(jiǎng)得主分別作出了哪些貢獻(xiàn)？本文將用淺顯語言嘗試回答那些問題。
關(guān)于量子糾纏與EPR佯謬
“量子糾纏（）”這一術(shù)語最早由埃爾溫·薛定諤提出，他稱之為量子熱學(xué)最重要的特點(diǎn)。用化學(xué)的語言來說，對于一個(gè)處于糾纏態(tài)的多粒子系統(tǒng)，其量子態(tài)函數(shù)不能分解成各個(gè)部份的量子態(tài)的乘積。淺顯的講，量子糾纏指的是在空間上分開的兩個(gè)或多個(gè)粒子量子物理糾纏什么意思，因?yàn)槟撤N互相作用，促使各個(gè)粒子所擁有的信息或化學(xué)性質(zhì)成為了整體特點(diǎn)而難以分離。
舉例來說，單個(gè)電子隨機(jī)地具有兩種可能的載流子模式，即所謂的“向上”或“向下”，而處于糾纏態(tài)的電子對（比如氦原子核外的電子），未能做到只檢測其中一個(gè)電子的載流子而不影響另一個(gè)，即單個(gè)電子的量子態(tài)未能從整體中剝離而不引起其他影響。
圖|兩粒子的量子糾纏概念圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
按照量子理論，當(dāng)觀測者對糾纏態(tài)的電子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測時(shí)，假如其中一個(gè)電子的檢測結(jié)果（隨機(jī)地）呈現(xiàn)載流子向下量子物理糾纏什么意思，這么另一個(gè)電子立即弄成（確定地）載流子向上，雖然沒有人在檢測它，反之亦然。并且這個(gè)現(xiàn)象跟兩個(gè)電子的距離無關(guān)！換句話說，雖然兩個(gè)電子分別坐落銀河系的兩端，只要檢測了其中一個(gè)的載流子，另一個(gè)的載流子狀態(tài)就確定了，即一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以立即影響另一個(gè)的結(jié)果。
但問題是，一個(gè)電子怎樣頓時(shí)得知遙遠(yuǎn)的另一個(gè)電子的載流子狀態(tài)，因而選擇讓自身的載流子保持相反呢？她們之間是否還能通過某種超距作用（即傳播速率無窮大的互相作用）傳遞信息？假如承認(rèn)這些“幽靈般的”超距作用的存在，就違反了狹義相對論的時(shí)空觀。這就是知名的EPR佯謬（--Rosen）核心思想所在。
愛因斯坦等人企圖借助該佯謬否定量子力學(xué)的完備性，從而提出了一種稱為隱變量理論的量子熱學(xué)的取代描述，其基本思想是：量子體系中存在某種隱藏變量，實(shí)驗(yàn)觀測的結(jié)果才能由該隱藏變量決定，而非量子熱學(xué)描述的那樣隨機(jī)出現(xiàn)。
關(guān)于貝爾不方程和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
量子熱學(xué)提出，糾纏態(tài)量子體系中的各部份在實(shí)驗(yàn)檢測之前不存在確定的可觀測性質(zhì)，而隱變量理論強(qiáng)調(diào)，存在某種隱藏屬性促使我們可以在實(shí)驗(yàn)檢測之前就確定檢測結(jié)果。雙方爭吵不下，誰也勸說不了誰，直至貝爾不方程的出現(xiàn)。
圖|量子理論與隱變量理論的區(qū)別示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
約翰·貝爾基于隱變量理論，于1964年提出了后來以他名子命名的知名不方程。該不方程強(qiáng)調(diào)，對于任意的定域?qū)嵲诶碚摚ň幷咦ⅲ核^的“定域?qū)嵲凇笨梢岳斫鉃椋粋€(gè)微觀粒子只在空間局部具備其數(shù)學(xué)特點(diǎn)并決定任意檢測操作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果），粒子間的某種相關(guān)函數(shù)的值不會(huì)超過一個(gè)固定上限。貝爾提出了一個(gè)可以驗(yàn)證該不方程的思想實(shí)驗(yàn)，而且證明了量子理論一定會(huì)違背這個(gè)不方程。
接出來就輪到明年三位諾獎(jiǎng)得主之一的約翰·克勞澤上場了。
因?yàn)樨悹柨紤]實(shí)驗(yàn)時(shí)對偵測器采取的一些假定很難得到驗(yàn)證，因而他提出的原始思想實(shí)驗(yàn)并不適宜進(jìn)行實(shí)際測試。直至1969年，克勞澤及其合作者對貝爾不方程進(jìn)行了改進(jìn)，致使其容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并提出了一種實(shí)驗(yàn)裝置（示意圖如右圖）。
圖|克勞澤提出的貝爾不方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
在該實(shí)驗(yàn)中，光源S持續(xù)形成向相反方向傳播的、處于偏振光糾纏態(tài)的光子對，Alice和Bob（編者注：這兩個(gè)名子廣泛用于量子信息領(lǐng)域，指代兩個(gè)觀測者）分別借助特定的偵測器觀測光子的偏振光態(tài)，并統(tǒng)計(jì)得到觀測結(jié)果的關(guān)聯(lián)函數(shù)。克勞澤發(fā)覺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果超過了貝爾不方程給出的關(guān)聯(lián)函數(shù)的上限，因此該實(shí)驗(yàn)是對隱變量理論的否定。
但是，克勞澤的實(shí)驗(yàn)裝置存在所謂的“定域性漏洞”，未能排除Alice和Bob之間存在信息交流的可能。這也給了阿蘭·阿斯佩（即去年第二位化學(xué)諾獎(jiǎng)得主）大顯身手的余地。
1982年，阿斯佩等人改進(jìn)了克勞澤的貝爾不方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，區(qū)別在于新的實(shí)驗(yàn)裝置就能更頻繁的發(fā)射糾纏光子對，但是偏振光檢測裝置可以在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)調(diào)整，因此部份地修復(fù)了定域性漏洞。她們發(fā)覺，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然違背貝爾不方程。
在1998年和2015年，安東·塞林格團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了貝爾定律實(shí)驗(yàn)，先是徹底清除了定域性漏洞（由于阿斯佩的實(shí)驗(yàn)裝置一直未能排除Alice和Bob距離太近導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)），而后實(shí)現(xiàn)了無漏洞的貝爾不方程實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果均與量子熱學(xué)的預(yù)測一致，為隱變量理論和量子理論之爭畫下了句號。
隨后多年，塞林格團(tuán)隊(duì)借助糾纏態(tài)的光子進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn)，而且還借助量子糾纏特點(diǎn)展示了“量子隱型傳態(tài)”和“量子糾纏交換”等獨(dú)特現(xiàn)象。在“糾纏交換”實(shí)驗(yàn)中，塞林格團(tuán)隊(duì)發(fā)覺，在兩對不相關(guān)的糾纏態(tài)粒子對中，如右圖中的1-2和3-4，倘若能讓2與3糾纏，則1與4也會(huì)自發(fā)處于糾纏態(tài)。
圖|量子糾纏交換現(xiàn)象的示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
塞林格通過一系列的這種實(shí)驗(yàn)，從原理上驗(yàn)證了對量子態(tài)進(jìn)行傳輸?shù)目赡苄裕_創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科領(lǐng)域。
值得一提的是，中國科學(xué)家對量子信息領(lǐng)域的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。中國科大學(xué)教授潘建偉正是塞林格的博士中學(xué)生。塞林格為量子信息奠基的四篇文章中，潘建偉是其中兩篇的第一作者，也是另外兩篇的第二作者（相關(guān)論文見文末參考）。潘建偉也在國外創(chuàng)建了陣容強(qiáng)悍、碩果甚多的量子信息科研團(tuán)隊(duì)。
10月4日當(dāng)日，諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席在發(fā)布會(huì)上展示了一張有中國“墨子號”量子衛(wèi)星參與的實(shí)驗(yàn)示意圖，顯示的是中國科大學(xué)的潘建偉課題組與法國的塞林格課題組于2018年共同進(jìn)行的洲際量子通訊實(shí)驗(yàn)。
圖|中國的“墨子號”量子衛(wèi)星（來源：諾貝爾獎(jiǎng)發(fā)布會(huì)現(xiàn)場）
時(shí)至今日，雖然諾貝爾獎(jiǎng)仍未垂青，并且中國在量子通訊領(lǐng)域的研究成果一直處于世界領(lǐng)先地位。
支持：大義、張智、彭暢、李傳福（排行不分先后）
參考資料：
D.,J.-W.Pan,K.,M.Eibl,H.andA.,390,575(1997).
J.-W.Pan,D.,H.andA.,Phys.Rev.Lett.80,3891(1998).
D.,J.-W.Pan,M.,H.andA.,Phys.Rev.Lett.82,1345(1999).
J.-W.Pan,D.,M.,H.andA.,403,515(2000).
