今年的诺贝尔物理学奖授予他们，以表彰他们在量子力学和量子纠缠理论方面的贡献。 不过，这一理论未来可能仍需检验。
▲2022年诺贝尔物理学奖获得者。图/诺贝尔奖委员会官网
文字| 张天堪
据新华社报道，瑞典皇家科学院10月4日宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠”领域做出的贡献光子实验，验证贝尔不等式的违反，并开创量子信息科学。”
对于普通人来说，量子科学和量子纠缠是极其高端的理论，一般人根本无法理解和理解。 对此，瑞典皇家科学院也试图使其解释尽可能简单，简单描述了阿斯佩、克劳瑟和蔡林格的研究成果。 他们三人各自利用纠缠量子态进行了开创性的实验，其中两个粒子即使在分离时也表现得像一个单元。 他们的结果为基于量子信息的新技术扫清了道路。
什么是量子纠缠？
量子力学已经产生了难以形容的影响并开始得到应用。 量子力学的应用领域并不像以前想象的那么前沿，有很大的局限性，但有广泛的研究和应用领域，包括量子计算机、量子网络和安全量子加密通信。 量子力学应用和发展的一个关键因素是如何让两个或多个粒子以所谓的“纠缠态”存在。 处于“纠缠态”的一个粒子所发生的情况决定了另一个粒子所发生的情况，即使它们相距很远。
显然，瑞典皇家科学院的解释无法让太多人理解。 因此，可以通过降维并结合量子通信来理解。 所谓量子，是指能表现某种物质或物理量特性的最小单位。 如果一个物理量具有最小的不可分割的基本单位，则该物理量被量子化，最小的单位称为量子。
粒子是指以自由状态存在的物质的最小组成部分。 因此，在物理学中，由两个或多个粒子组成的系统中相互相互作用的现象称为量子纠缠。 爱因斯坦将量子纠缠称为“远距离幽灵相互作用”（幽灵般的远距离相互作用），在注意到纠缠量子态的令人费解的特性后物理学的量子纠缠原理，爱因斯坦怀疑量子力学并不是一个完整的系统。 理论。
通俗地说，量子纠缠就是粒子（光子）、原子等最小物质之间的接触、叠加、纠缠，就像一种信息传输和通讯的混沌状态。 正是有了这样的通信，才能实现量子通信和量子计算机。 ，量子互联网可以实现。 然而，信息的传播需要媒介，如空气（声波）、水（波）、电（波）、光纤等。 对于这些媒体，还需要信息的兼容性和理解（例如相同的语言，英语或中文）。 以及信息到达时接收信息的接口。
▲2022年诺贝尔物理学奖揭晓。图/新华社
量子纠缠的用武之地
如今，人类的通讯方式有QQ、微信等，即便如此，人们仍然感觉比较慢且不安全，于是量子纠缠就发挥了作用。
2010年，加州理工学院研究小组实现了四个量子界面之间的纠缠。 随后，清华大学段路明团队在实验中首次利用分束技术实现了25个量子界面之间的量子纠缠，比之前4个量子界面之间的纠缠记录提高了约6倍。 这也意味着未来不仅可以通过量子接口实现量子通信和量子互联网组网，而且通信和网络速度都将得到大幅提升。
此外，公开资料显示，2017年，中国科学院院士潘建伟等人利用“墨子号”量子科学实验卫星进行实验。 在1200公里的通信距离上，卫星上的量子诱饵态光源平均每秒发送4000万个信号。 一个信号光子可以在一次轨道对接实验中生成安全密钥，平均码率高达1.1kbps。
这项技术被称为星地双向量子纠缠分发。 其传输效率比目前相同距离的地面光纤通道高20个数量级，即提高万亿倍。 这就好比一个人步行到火星（如果有路的话）和光速（光波或电磁波在真空或介质中的传播速度，每秒30万公里）到火星的速度之差。
2018年，芬兰阿尔托大学Mika 教授团队成功对两个独立振动的耳膜进行了量子纠缠。 每个耳膜只有 15 微米宽，大约是头发的宽度，由 1015 个金属铝原子组成。 使用超导微波电路，两个耳膜在接近绝对零（-273°C）的温度下持续相互作用约 30 分钟。
这些研究证明物理学的量子纠缠原理，量子纠缠并不是幽灵般的相互作用或心灵感应，而是真实存在的。 然而，它们是基于 Asper、 和 的工作。
关键是在20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔提出了贝尔不等式，该不等式指出，如果存在隐变量，大量测量值之间的相关性永远不会超过某个值。 然而，克劳泽设计的实验进行测量，通过明显违反贝尔不等式证明了量子力学的实际相关性，这意味着量子力学不能被使用隐变量的理论所取代。
Aspe还设计了一项实验来证明两个粒子的波函数之间的相关性仍然存在，因为它们在测量其中一个粒子之前曾经是同一波函数的一部分而没有受到干扰。
的团队通过实验证明了一种称为量子隐形传态的现象，这种现象可以将量子态从一个粒子长距离移动到另一个粒子。
感谢这三个人的开创性工作，量子通信和量子计算机现在已经出现。 2019年，谷歌表示，他们已经能够使用53量子位的量子计算机来实现传统计算机无法完成的任务。 这台量子计算机可以在3分20秒内完成特定任务。 如果世界上最强大的超级计算机之一美国能源部橡树岭国家实验室执行同样的任务，大约需要一万年的时间。
虽然谷歌后来撤回了这篇论文，但这也表明量子力学和量子纠缠将在网络、IT和计算机中发挥巨大作用。 所有这一切都依赖于 Aspe、 和 的工作。 今年的诺贝尔物理学奖颁给了他们，以表彰他们对量子力学和量子纠缠理论的认可。
不过，这一理论未来可能还需要经过长期的检验。
作者：张天侃（专栏作者）
编辑/马小龙
校对/刘越
