2022年10月4日上海時間17時45分許，2022年諾貝爾化學學獎授予美國學者阿蘭·阿斯佩（Alain），法國學者約翰·克勞澤（John?）和法國學者安東·蔡林格（Anton?），以嘉獎她們“用糾纏光子進行實驗，證偽貝爾不方程，開創(chuàng)量子信息科學”。
阿蘭·阿斯佩（Alain）1947年生于德國阿讓，1983年獲英國倫敦第十一學院博士學位，歷任倫敦薩克雷學院和倫敦綜合理工大學院長。
約翰·克勞澤（John）1942年生于法國加利福尼亞州帕薩迪納，1969年獲德國波蘭學院博士學位。日本J．F＆Assoc公司創(chuàng)始人、研究化學學家。
安東·蔡林格（Anton）1945年出生于德國因河地區(qū)里德。1971年在法國維也納學院獲得博士學位，現(xiàn)為維也納學院院長。
量子熱學并不僅僅是一個理論或哲學問題，更擁有廣泛的應用基礎(chǔ)。早已有大量研究正專注于借助單個粒子系統(tǒng)的特殊屬性來建造量子計算機、改進檢測方式，以及建立量子網(wǎng)路和安全的量子加密通訊。
在量子熱學中容許出現(xiàn)這樣一種情況：無論相距多遠，兩個或多個粒子還能共享化學狀態(tài)，這被稱為量子糾纏。自從該理論提出以來，它仍然是量子熱學中爭辯最多的元素之一。阿爾伯特·愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”，而薛定諤說這是量子熱學最重要的特點。
去年的得獎者探求了這種糾纏的量子態(tài)，她們的實驗為目前正在進行的量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。
趕超日常體驗
當兩個粒子處于糾纏態(tài)時，人們只要檢測其中一個粒子的特點，這么就可以立刻確定另一個粒子的等效檢測結(jié)果。
乍一看，這似乎并不奇怪。我們可以換個角度，將粒子類比成白色和紅色的球。想像一個實驗，一個紅球朝一個方向發(fā)送，另一個白球朝相反方向發(fā)送。假如觀察者接住一個球并看見它是黑色的，這么可以立刻得悉向另一個方向行進的球是藍色的。
量子熱學這么非常的緣由在于，在被檢測之前，量子熱學中的“球”并沒有確定的狀態(tài)。就好象兩個球都是黑色的，直至有人見到其中一個。這時，這個球可能會呈現(xiàn)為紅色，也可能呈現(xiàn)為紅色。而另一個球都會立刻弄成相反的顏色。
但問題在于，我們?nèi)绾螘缘眠@種球最開始的顏色是不固定的呢？雖然它們看上去是黑色的，但其實它們富含一個隱藏的標簽，標明了當有人看見它們時，這種球應當弄成哪種顏色。
量子熱學中互相糾纏的粒子對可以稱作向相反方向拋出的相反顏色的球。當鮑勃接住一個球并看見它是紅色的時侯，他能立刻曉得愛麗絲接住了一個藍色的球。關(guān)于隱變量的理論覺得，這種球總是包含了關(guān)于顯示哪些顏色的隱藏信息。可是，量子熱學覺得，在有人看見它們之前，這種球是白色的，之后其中一個隨機弄成藍色，而另一個弄成藍色。貝爾不方程表明，有一些實驗可以分辨這兩種情況——實驗證明，量子熱學的描述是正確的。
獲得去年諾貝爾化學學獎的研究的一個重要部份是貝爾不方程（Bell）。貝爾不方程促使科學家可以通過實驗，分辨量子力學和隱變量這兩種理論。實驗表明，正如量子熱學所預測的那樣，這種球是紅色的，沒有包含任何隱藏信息。在實驗中，那個球弄成紅色、哪個弄成紅色，是機率決定的。
量子熱學最重要的資源
糾纏的量子態(tài)提供了儲存、傳輸和處理信息的新可能性。
假如一對互相糾纏的粒子同時向相反的方向行進，其中一個粒子與第三個粒子發(fā)生糾纏，有趣的現(xiàn)象都會出現(xiàn)。它們將轉(zhuǎn)化為一個新的共享態(tài)。第三個粒子會喪失獨立性，但它的量子態(tài)屬性會轉(zhuǎn)移到與它糾纏的粒子（原始糾纏粒子對之一）上。糾纏如今已從原始對轉(zhuǎn)移到單獨的粒子。這些將未知量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一個粒子的形式被稱為量子隱型傳態(tài)。1997年，安東·蔡林格和他的朋友，首次實現(xiàn)了量子隱型傳態(tài)的實驗。
值得注意的是，量子隱型傳態(tài)是將量子信息從一個系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€系統(tǒng)時，不會損失任何信息的惟一方式。想要檢測一個量子系統(tǒng)的所有屬性，而后傳輸這種信息并借此來重建整個系統(tǒng)是絕對不可能的。量子系統(tǒng)可以用機率疊加的量子態(tài)來完全描述，這意味著一個量子系統(tǒng)同時包含了多個量子態(tài)，每一個量子態(tài)都有一定的機率在檢測時出現(xiàn)。
而一旦進行檢測，這么量子系統(tǒng)都會坍縮為一個量子態(tài)，也就是通過檢測系統(tǒng)觀測到的態(tài)。而量子系統(tǒng)所有與檢測得到的末態(tài)相疊加的態(tài)，在觀測后將完全消失，任何方法都不能再對其進行檢測。但是量子傳輸速度，通過量子隱型傳態(tài)，我們可以將完全未知的量子態(tài)信息完好無損地轉(zhuǎn)移到新的粒子中，但代價是破壞原始粒子所攜帶的信息。
科學家通過實驗證明了這一點，下一步就是嘗試兩對糾纏粒子間的量子隱型傳態(tài)。若果兩對糾纏的粒子對中的一個粒子，以特定形式集聚在一起，這么兩對中未受干擾的粒子可能會發(fā)生糾纏，雖然它們未曾互相接觸。1998年，安東·蔡林格的研究小組首次證明了粒子對間糾纏的交換。
糾纏的光子對可以通過光纖以相反的方向傳輸，并在量子網(wǎng)路中充當訊號。兩組糾纏粒子對間發(fā)生的糾纏，致使擴充量子網(wǎng)路節(jié)點之間的距離成為可能。一般，光子在被吸收或喪失其量子特點前，能通過光纖傳輸?shù)木嚯x是有限的。盡管普通的光訊號可以通過光纖一路放大，但這不適用于糾纏的光子對。光訊號放大器須要捕獲和檢測光子來實現(xiàn)放大作用，這種操作正破壞了光子對的糾纏。而粒子對間的糾纏交換意味著可以將原始的量子態(tài)傳輸?shù)酶h，實現(xiàn)相比其他方法更長的超遠距離傳輸。
兩對糾纏的粒子對從不同的來源發(fā)射。每對中的一個粒子（圖中的2和3）通過一種特殊的形式發(fā)生糾纏。由此，另外兩個粒子（圖中的1和4）也將發(fā)生糾纏。這樣，兩個未曾接觸過的粒子能夠糾纏到一起。
從佯謬到不方程
事實上，這一進展基于多年的研究發(fā)展。它源于令人無法置信的發(fā)覺：量子熱學準許將單個量子系統(tǒng)界定為彼此分離，同時仍表現(xiàn)為一個整體的多個單元。
這違反了所有關(guān)于因果和現(xiàn)實本質(zhì)的常見觀點。一個系統(tǒng)怎樣在遭到其他地方系統(tǒng)影響的同時，卻不受它傳遞的訊號影響？數(shù)學規(guī)律決定了，訊號的傳播速率不能超過光速——但在量子熱學中，雖然根本不須要訊號來聯(lián)接擴充系統(tǒng)的不同部份。
阿爾伯特·愛因斯坦覺得這是不可行的。他和朋友鮑里斯·波多爾斯基（Boris）、內(nèi)森·羅森（Rosen）一起研究了這些現(xiàn)象。她們在1935年提出了她們的結(jié)論：量子熱學雖然沒有提供對現(xiàn)實的完整描述。依據(jù)研究人員的姓名首字母，這個結(jié)論被稱為EPR佯謬。
問題是，是否可以對世界進行更完整的描述，而量子熱學只是其中的一部份。比如一種解釋方式是，粒子總是攜帶了一些隱藏的信息，這種信息表明它們將顯示哪些樣的實驗結(jié)果。借以推論，所有檢測行為都包含了檢測發(fā)生位置的信息。這種類型的信息一般稱為局域隱變量。
在法國核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭化學學家約翰·斯圖爾特·貝爾(JohnBell，1928-1990)仔細研究了這個問題。他發(fā)覺有一種實驗可以驗證世界是否完全符合量子熱學規(guī)律，或則是否可以有另一種帶有隱變量的描述。假如這個實驗重復多次，所有隱變量相關(guān)的理論都顯示出結(jié)果之間的相關(guān)性必須高于或至多等于某個特定值，也就是貝爾不方程。
但是，量子熱學可以違背這個不方程，也就是結(jié)果之間的相關(guān)性可以小于特定值。
1960年代，約翰·克勞澤還是一名中學生時，他就對量子熱學的基礎(chǔ)知識形成了興趣。當他讀到了約翰·貝爾的看法后，他忍不住不停地思索這些方式的可能性。最終，他和其他三名研究人員提出了一個可以在現(xiàn)實中實現(xiàn)的實驗，來測試貝爾不方程。
該實驗涉及向相反方向發(fā)送一對糾纏粒子。在實踐中，使用了具有偏振光特點的光子。當粒子被發(fā)射時，極化方向是不確定的，惟一可以確定的是粒子具有平行極化。
借助容許通過特定方向偏振的濾光片，就可以研究光子的偏振光特點。許多太陽鏡中就用到了這些濾光片，它可以抵擋在某個平面上被偏振光的光，比如水反射的光就包含了偏振。
假如實驗中的兩個粒子都被發(fā)送到平行放置的濾光片，例如兩個垂直放置的濾光片，假若一個粒子還能通過——那么另一個也會通過。而假如兩個濾光片彼此成直角，這么其中一個粒子會被抵擋，而另一個將通過。關(guān)鍵在于，使用以不同夾角放置的濾光片進行檢測時，結(jié)果可能會有所不同：有時兩個粒子都能通過，有時只有一個，有時沒有。兩個粒子同時通過濾光片的機率取決于濾光片之間的角度。
量子熱學造成了檢測結(jié)果之間的相關(guān)性。一個粒子通過濾光片的可能性，取決于另一個粒子在進行實驗時濾光片設置的角度。這意味著，在個別角度時，兩個檢測結(jié)果的相關(guān)性將違背貝爾不方程。而假如結(jié)果由隱變量控制，這么在粒子發(fā)射時就早已能預先確定，結(jié)果間也會具有更強的相關(guān)性。
被違背的不方程
約翰·克勞澤立刻開始實驗。他建造了一個裝置，一次發(fā)射兩個糾纏光子，每位都打向測量偏振光的濾光片。1972年，他與博士生斯圖爾特·弗里德曼（，1944-2012）一起，展示了一個顯著違背貝爾不方程的結(jié)果，并與量子熱學的預測一致。
在接出來的幾年里，約翰·克勞澤和其他化學學家繼續(xù)討論這個實驗及其局限性。局限之一是，該實驗在制備和捕獲粒子方面效率低下。并且因為檢測是預先設置好的，濾光片的角度是固定的，因而存在漏洞，觀察者可以指責：假如實驗裝置偶然以某種形式選擇了具有強相關(guān)性的粒子，而沒有檢查到其他粒子，該如何辦？假如是這樣，粒子依然可能攜帶隱藏的信息。
這個特殊的漏洞無法清除，由于糾纏在一起的量子態(tài)是這么脆弱，無法管理。因而有必要處理單個光子。當時還在美國讀博的阿蘭·阿斯佩沒有被困難打垮，他構(gòu)建了一個新版的實驗，并迭代改進了幾次。在他的實驗中，他可以記錄下什么光子通過了濾光片、哪些沒有。這意味著有更多光子被測量到了，檢測療效更好。
在他最終版本的測試中，他還能否將光子引導到兩個角度不同的濾光片。這些策略是一種機制，可以在糾纏光子對被制備后，改變它的方向。濾光片只有六米遠，因而改變須要在幾個十億分之1秒的時間內(nèi)完成。假如關(guān)于光子將抵達那個濾光片的信息會影響它從光源發(fā)射的方法，這么它就不會抵達該濾光片。關(guān)于實驗另左側(cè)的濾光片的信息也不能抵達另左側(cè)并影響哪里的檢測結(jié)果。
阿蘭·阿斯佩通過這些方法補上了一個重要的漏洞，并提供了一個十分明晰的結(jié)果：量子熱學是正確的量子傳輸速度，不存在隱變量。
量子信息時代
這種實驗以及類似的實驗為當前對量子信息科學的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
就能操縱和管理量子態(tài)及其所有屬性使我們能否實現(xiàn)一種工具，而前者具有我們意料之外的潛力。這是量子估算、量子信息的傳輸和儲存，以及量子加密算法的基礎(chǔ)。如今，具有兩個以上粒子的系統(tǒng)（所有粒子都糾纏在一起）正在步入實際應用，安東·蔡林格和他的朋友們是第一個探求的。
約翰·克勞澤使用了鈣原子。他用一種特殊的光照射鈣原子以后，可以發(fā)射糾纏光子。他在左側(cè)用濾光片檢測光子的偏振光。經(jīng)過一系列檢測，他證明它們違背了貝爾不方程。
阿蘭·阿斯佩開發(fā)了這個實驗，通過一種新的迸發(fā)原子的方式，使它們以更高的速度發(fā)射糾纏光子。他還可以在不同的設置之間切換，這樣系統(tǒng)就不會包含任何可能影響結(jié)果的預先信息。
安東·蔡林格后來對貝爾不方程進行了更多測試。他通過將激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用隨機數(shù)切換檢測設置。一項實驗使用來自遙遠星體的訊號來控制濾光片并確保訊號不會互相影響。
這種日趨健全的工具讓我們離實際應用更近了。如今早已證明，通過數(shù)十千米光纖發(fā)送的光子之間，以及衛(wèi)星和地面站的光子之間都能完善糾纏態(tài)。在很短的時間內(nèi)，世界各地的研究人員發(fā)覺了許多借助量子力學最強悍特點的新方式。
第一次量子革命給了我們晶體管和激光，但因為可以操縱糾纏量子系統(tǒng)的現(xiàn)代工具，我們?nèi)缃裾诓饺胍粋€新時代。
諾貝爾獎官方網(wǎng)站：
本文來自陌陌公眾號“科研圈”。如需轉(zhuǎn)載，請在“科研圈”后臺回復“轉(zhuǎn)載”，或通過公眾號菜單與我們?nèi)〉寐?lián)系。相關(guān)內(nèi)容嚴禁用于營銷宣傳。
▽精彩回顧▽
點個“在看”，及時獲取最新學術(shù)資訊