上海時間10月4日上午5點45分，化學學家阿蘭·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授予了2022年度諾貝爾化學學獎，以嘉獎她們“通過光子糾纏的一系列實驗，打破了貝爾不方程的限制，并開創了量子信息的研究領域”。
這三位頂尖科學屋內，阿蘭·阿斯佩來自美國，目前任教于倫敦-薩克雷學院和倫敦綜合理工大學；約翰·克勞澤來自英國，目前就職于自己在灣區獼猴桃溪市創立的一家公司；安東·塞林格是法國維也納學院的一名院士。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？三位諾獎得主分別作出了哪些貢獻？本文將用淺顯語言嘗試回答那些問題。
關于量子糾纏與EPR佯謬
“量子糾纏（）”這一術語最早由埃爾溫·薛定諤提出，他稱之為量子熱學最重要的特點。用化學的語言來說，對于一個處于糾纏態的多粒子系統，其量子態函數不能分解成各個部份的量子態的乘積。淺顯的講，量子糾纏指的是在空間上分開的兩個或多個粒子量子物理糾纏什么意思，因為某種互相作用，促使各個粒子所擁有的信息或化學性質成為了整體特點而難以分離。
舉例來說，單個電子隨機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電子的載流子而不影響另一個，即單個電子的量子態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）
按照量子理論，當觀測者對糾纏態的電子進行實驗檢測時，假如其中一個電子的檢測結果（隨機地）呈現載流子向下量子物理糾纏什么意思，這么另一個電子立即弄成（確定地）載流子向上，雖然沒有人在檢測它，反之亦然。并且這個現象跟兩個電子的距離無關！換句話說，雖然兩個電子分別坐落銀河系的兩端，只要檢測了其中一個的載流子，另一個的載流子狀態就確定了，即一個實驗的結果可以立即影響另一個的結果。
但問題是，一個電子怎樣頓時得知遙遠的另一個電子的載流子狀態，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？假如承認這些“幽靈般的”超距作用的存在，就違反了狹義相對論的時空觀。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的完備性，從而提出了一種稱為隱變量理論的量子熱學的取代描述，其基本思想是：量子體系中存在某種隱藏變量，實驗觀測的結果才能由該隱藏變量決定，而非量子熱學描述的那樣隨機出現。
關于貝爾不方程和驗證實驗
量子熱學提出，糾纏態量子體系中的各部份在實驗檢測之前不存在確定的可觀測性質，而隱變量理論強調，存在某種隱藏屬性促使我們可以在實驗檢測之前就確定檢測結果。雙方爭吵不下，誰也勸說不了誰，直至貝爾不方程的出現。
圖|量子理論與隱變量理論的區別示意圖（來源：諾貝爾官網）
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。該不方程強調，對于任意的定域實在理論（編者注：所謂的“定域實在”可以理解為，一個微觀粒子只在空間局部具備其數學特點并決定任意檢測操作的實驗結果），粒子間的某種相關函數的值不會超過一個固定上限。貝爾提出了一個可以驗證該不方程的思想實驗，而且證明了量子理論一定會違背這個不方程。
接出來就輪到明年三位諾獎得主之一的約翰·克勞澤上場了。
因為貝爾考慮實驗時對偵測器采取的一些假定很難得到驗證，因而他提出的原始思想實驗并不適宜進行實際測試。直至1969年，克勞澤及其合作者對貝爾不方程進行了改進，致使其容易進行實驗驗證，并提出了一種實驗裝置（示意圖如右圖）。
圖|克勞澤提出的貝爾不方程驗證實驗示意圖（來源：諾貝爾官網）
在該實驗中，光源S持續形成向相反方向傳播的、處于偏振光糾纏態的光子對，Alice和Bob（編者注：這兩個名子廣泛用于量子信息領域，指代兩個觀測者）分別借助特定的偵測器觀測光子的偏振光態，并統計得到觀測結果的關聯函數?？藙跐砂l覺，實驗結果超過了貝爾不方程給出的關聯函數的上限，因此該實驗是對隱變量理論的否定。
但是，克勞澤的實驗裝置存在所謂的“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（即去年第二位化學諾獎得主）大顯身手的余地。
1982年，阿斯佩等人改進了克勞澤的貝爾不方程驗證實驗，區別在于新的實驗裝置就能更頻繁的發射糾纏光子對，但是偏振光檢測裝置可以在實驗中隨機調整，因此部份地修復了定域性漏洞。她們發覺，該實驗結果依然違背貝爾不方程。
在1998年和2015年，安東·塞林格團隊進一步建立了貝爾定律實驗，先是徹底清除了定域性漏洞（由于阿斯佩的實驗裝置一直未能排除Alice和Bob距離太近導致的關聯），而后實現了無漏洞的貝爾不方程實驗，其結果均與量子熱學的預測一致，為隱變量理論和量子理論之爭畫下了句號。
隨后多年，塞林格團隊借助糾纏態的光子進行了更多實驗，而且還借助量子糾纏特點展示了“量子隱型傳態”和“量子糾纏交換”等獨特現象。在“糾纏交換”實驗中，塞林格團隊發覺，在兩對不相關的糾纏態粒子對中，如右圖中的1-2和3-4，倘若能讓2與3糾纏，則1與4也會自發處于糾纏態。
圖|量子糾纏交換現象的示意圖（來源：諾貝爾官網）
塞林格通過一系列的這種實驗，從原理上驗證了對量子態進行傳輸的可能性，開創了量子信息這一學科領域。
值得一提的是，中國科學家對量子信息領域的發展作出了不可磨滅的貢獻。中國科大學教授潘建偉正是塞林格的博士中學生。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（相關論文見文末參考）。潘建偉也在國外創建了陣容強悍、碩果甚多的量子信息科研團隊。
10月4日當日，諾貝爾化學學獎委員會主席在發布會上展示了一張有中國“墨子號”量子衛星參與的實驗示意圖，顯示的是中國科大學的潘建偉課題組與法國的塞林格課題組于2018年共同進行的洲際量子通訊實驗。
圖|中國的“墨子號”量子衛星（來源：諾貝爾獎發布會現場）
時至今日，雖然諾貝爾獎仍未垂青，并且中國在量子通訊領域的研究成果一直處于世界領先地位。
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).
