他们说没有人了解量子力学。 但多亏了这三位量子纠缠领域的先驱，也许我们能够理解。
一声巨响——2022 年 4 月
伊森
两个纠缠粒子的描述，它们在空间中分离，并且每个粒子在被测量之前都具有不确定的特性。 实验已经确定，在测量发生的关键时刻之前，纠缠对中没有一个成员存在于特定状态：这是使许多现代量子技术成为可能的关键方面。 （：约翰/皇家）
要点
几代人以来，科学家们一直在争论量子粒子是否真的具有客观的、可预测的现实，或者“量子怪异”是否是物理系统固有的。
20 世纪 60 年代，约翰·斯图尔特·贝尔 (John Bell) 描述了两个纠缠粒子之间最大可能的统计相关性：贝尔不等式。
但有些实验可能会违反贝尔不等式，而这三位先驱——约翰·克劳瑟、艾伦·斯佩特和安东·泽林格——帮助使之成为可能。 量子信息系统成为一门真正的科学。
尽管我们都对宇宙有所了解，但物理学家无法从根本上回答一个简单但深刻的问题：“什么是真实的？” 我们知道粒子的存在，并且当你测量粒子时我们知道它们是有东西的。 一些属性。 但我们也知道，测量量子态的行为——甚至允许两个量子相互作用——可以从根本上改变或决定你测量的内容。 没有观察者行动的客观现实从根本上来说是不存在的。
但这并不意味着自然没有必须遵守的法则。 这些规则是存在的，尽管它们很难理解并且违反直觉。 我们不必争论一种哲学方法与另一种哲学方法来揭示现实的真正量子本质，而是可以转向适当设计的实验。 即使是两个纠缠的量子态也必须遵守某些定律，这导致了量子信息科学的发展：一个具有潜在革命性应用的新兴领域。 2022 年诺贝尔物理学奖刚刚公布，授予约翰·克劳瑟 (John )、艾伦·斯佩特 (Alan ) 和安东·泽林格 (Anton )，以表彰他们在量子信息系统、纠缠光子和违反贝尔不等式方面的开创性发展。 这是一个姗姗来迟的诺贝尔奖，其背后的科学尤其令人费解。
2022年诺贝尔物理学奖三位获奖者的艺术作品是因为他们利用纠缠粒子实验建立了贝尔不等式破缺，开创了量子信息科学。 从左到右，三位诺贝尔奖获得者分别是艾伦·阿斯佩特 (Alan )、约翰·克劳瑟 (John ) 和安东·泽林格 (Anton )。 （：2022 年诺贝尔奖）
我们可以做各种各样的实验来说明量子现实的不确定性。
将许多放射性原子放入容器中并等待特定的时间。 你可以预测平均有多少原子仍然活着，有多少原子已经衰变，但你无法预测哪些原子会存活，哪些原子不会。 我们只能得到统计概率。
通过狭窄的双缝发射一系列粒子，您将能够预测其后面的屏幕上会出现什么样的干涉图案。 然而，对于每个单独的粒子，即使穿过狭缝，你也无法预测它会落在哪里。
让一系列粒子（具有量子自旋）穿过磁场，一半将在磁场方向“向上”偏转，一半将“向下”偏转。 如果你不让它们穿过另一个垂直的磁铁，它们仍然会保持在那个方向上的旋转； 然而，如果你这样做，它们的旋转方向将再次变得随机。
量子物理学的某些方面似乎是完全随机的。 但它们真的是随机的，还是只是因为我们关于这些系统的信息有限而不足以揭示一个基础的、确定性的现实，所以它们看起来是随机的？ 自量子力学诞生以来，从爱因斯坦到玻尔乃至更远的将来，物理学家们一直在争论这个问题。
当具有量子自旋的粒子穿过定向磁体时，它会分裂成至少两个方向，具体取决于自旋的方向。 如果在同一方向设置另一个磁铁，则不会发生进一步的分裂。 然而，如果在两者之间以垂直方向插入第三块磁铁，不仅粒子会沿新方向分裂，而且你获得的有关原始方向的信息也会被破坏，使这些粒子在经过时再次分裂。最后的磁铁。 (: MJasK/)
但在物理学中，我们不是根据论证而是根据实验来决定问题。 如果我们能够写下支配现实的定律——并且我们非常清楚如何为量子系统做到这一点——那么我们就可以推断出系统的预期概率行为。 如果有足够好的测量设置和仪器，我们就可以通过实验来测试我们的预测并根据我们的观察得出结论。
如果我们聪明的话，我们甚至可以设计一个实验来测试一些关于现实的极其深刻的想法，例如量子系统的性质在被测量之前是否存在根本的不确定性，或者是否存在某种类型的不确定性。支撑我们现实的“隐藏变量”甚至在我们衡量结果之前就预先决定了结果。
一种特殊类型的量子系统相对简单，它导致了对该问题的许多关键见解：纠缠量子系统。 您所需要做的就是创建一对纠缠粒子，其中一个粒子的量子态与另一个粒子的量子态互相关。 尽管两者单独具有完全随机和不确定的量子态，但当放在一起时，两个量子之间的属性应该是互相关的。
量子力学中的纠缠对可以比作向相反方向扔相反颜色的球的机器。 当鲍勃接住一个球并看到它是黑色时，他立即知道爱丽丝接住了一个白球。 在使用隐藏变量的理论中，球总是已经包含有关显示颜色的隐藏信息。 然而，量子力学表示，这些球在有人观察它们之前是灰色的，其中一个随机变成白色，另一个变成黑色。 贝尔不等式表明，有实验可以区分这些情况。 这样的实验证明了量子力学的描述是正确的。 （：约翰/皇家）
即使在外套上，这也显得很奇怪，甚至对于量子力学来说也是如此。 一般来说，任何信号（包括任何类型的信息）以光速传播的速度都有速度限制。 但如果你：
创建一对纠缠粒子，
然后将它们分开，
然后测量其中一个粒子的量子态，
另一个粒子的量子态突然被确定，
不是以光速，而是瞬间。
现在已经在数百公里（或英里）的距离上以低于 100 纳秒的时间间隔证明了这一点。 如果信息在这两个纠缠粒子之间传输，其交换速度至少比光快数千倍。
然而，事情并不像你想象的那么简单。 例如，如果其中一个粒子被测量为“向上旋转”，这并不意味着另一个粒子将 100%“向下旋转”。 相反，它意味着另一个“旋转向上”或“旋转向下”的可能性能是通过某种统计准确度来预测的：超过 50%，但低于 100%，具体取决于您的实验设置。 这一性质的特征是由约翰·斯图尔特·贝尔 (John Bell) 在 20 世纪 60 年代导出的，他的贝尔不等式确保了两个纠缠粒子的测量状态之间的相关性永远不会超过某个值。
通过让光源发射一对纠缠光子，每个光子最终落在两个单独的观察者手中，可以对光子进行独立的测量。 结果应该是随机的，但汇总结果应该显示出相关性。 这些协相关是否受到局域实在论的限制取决于它们是否遵守或违反贝尔不等式。 （：APS/艾伦）
或者更确切地说，如果存在隐藏变量，这些纠缠态之间测量到的互相关永远不会超过某个值，但标准量子力学（没有隐藏变量）必然会违反贝尔不等式导致比预期更强的互相关。正确的实验环境。 贝尔预测到了这一点，但不幸的是他预测的方式无法验证。
这就是今年诺贝尔物理学奖获得者取得的巨大进步的意义所在。
第一个是约翰·克劳瑟的作品。 克劳瑟对物理学家往往严重低估的理论进行了研究：他继承了贝尔深刻的、技术上正确但不切实际的工作，并将其发展起来，以便可以构建一个实际的实验来测试它们。 他的“C”背后的东西现在被称为 CHSH 不等式：其中一对纠缠粒子的每个成员都在观察者的手中，观察者可以在两个垂直方向之一上测量其粒子自旋的选择。 如果现实独立于观察者而存在，那么每一个测量都必须服从不等式； 如果不这样做，就像在标准量子力学中一样，就会违反不等式。
实验测量的比率 R(phi)/R_0 是偏振器轴之间的角度 phi 的函数。 实线并不适合数据点，而是量子力学预测的偏振互相关恰好使得数据与理论预测的吻合度达到惊人的精度，这是无法用局部真实互相关表示的两个光子之间。 解释道。 （：S.，博士/劳伦斯伯克利国家实验室，1972 年）
克劳瑟不仅以可以检验的方式导出了这个不等式，而且他本人和当时的博士生斯图尔特·弗里德曼一起设计并进行了关键实验，而且确实违反了贝尔（和 CHSH）不等式。 突然间，局部隐变量理论被证明与我们宇宙的量子现实相冲突：一项真正值得诺贝尔奖的成就！
但正如所有事情一样，我们从这个实验结果中得出的结论只能与支撑实验本身的假设一样好。 克劳瑟的工作中是否没有漏洞，或者是否存在某种特殊类型的隐藏变量可能仍与他的测量结果一致？
这就是今年第二位诺贝尔奖获得者艾伦·阿斯科特 (Alan Ascot) 的工作大显身手的地方。阿斯科特意识到，如果两个观察者彼此之间存在因果关系，也就是说，如果其中一个观察者可以在同一时刻向另一个观察者发送一条消息，光速关于他们的实验结果，该结果可能是其他观察者在收到结果之前已经测量了结果——然后一个观察者对测量的选择可能会影响另一个观察者的测量。 这就是 Askew 想要关闭的漏洞。
测试量子非定域性的第三次阿斯科特实验的示意图。 来自源的纠缠光子被发送到两个快速开关，将它们引导至偏振探测器。 该开关改变设置的速度非常快，当光子飞行时，有效地改变了实验的探测器设置。 （：查德·奥泽尔）
20 世纪 80 年代初，阿斯科特与合作者菲利普·格兰奇 ( )、杰拉德·罗杰 (Gérard Roger) 和让·达利巴 (Jean ) 一起进行了一系列深刻的实验超意识量子物理纠缠，在许多方面极大地改进了克劳泽的工作。
他建立了贝尔不等式的违反，其显着性比克劳瑟的标准差约 6 个多了 30 个。
他建立了比以往任何时候都更大的贝尔不等式违反率——理论最大值的 83%，而之前实验中的最大值不超过 55%。
此外，通过快速、连续地随机化他的装置中每个光子所经历的偏振器的方向，他确保两个观察者之间的任何“隐形通信”都必须以明显高于光速的速度发生。 进展迅速，堵住了关键漏洞。 。
最后一项壮举具有最重要的意义，这项关键实验现在被广泛称为第三次阿斯科特实验。 如果阿斯科特没有做任何其他事情，那么证明量子力学与局部的、真正隐藏的变量的不一致性的能力本身就是一项意义深远、值得诺贝尔奖的进步。
通过从预先存在的系统中创建两个纠缠光子并将它们分开很远的距离，我们可以观察它们之间的互相关性，即使是在异常不同的位置。 既需要局域性又需要实在论的量子物理学解释无法解释无数的观察结果，但与标准量子力学一致的多种解释似乎同样有效。 (:/)
但一些物理学家想要更多。 毕竟，偏振设置是真正随机和确定性的，还是设置仅仅是伪随机的：在两个观察者之间传输一些不可见的信号，这些信号可能以光速或更慢的速度传播，以解释它们之间的互相关性？ 性呢？
真正消除后一个漏洞的唯一方法是创建两个纠缠粒子，将它们分开很大的距离，同时仍然保持它们的纠缠，然后尽可能接近同时执行关键测量，确保两个测量实际上都在外部每个观察者的光锥。
只有每个观察者的测量才能被建立为真正相互独立 - 他们之间没有希望进行通信，即使你无法看到或测量他们应该在他们之间交换的假设信号 - 你可以真正断言你有封闭局部漏洞，真正隐藏变量。 量子力学的核心正处于危险之中，这就是今年第三位诺贝尔奖获得者安东·泽林格的切入点。
光锥的一个例子，一个三维表面，所有可能的光线到达并离开时空中点。 在空间上移动得越多，在时间上移动得越少，反之亦然。 只有你过去的光锥中所包含的东西才能影响你今天； 只有你未来的光锥中所包含的东西，才能被你未来所感知。 根据狭义相对论定律，彼此光锥之外的两个事件不能交换通信。 (: / )
和他的协作团队实现这一目标的方式非常出色，我所说的出色是指同时富有想象力、聪明、细心和精确。
首先，他们通过将激光泵入下变频晶体来产生一对纠缠光子。
然后，他们通过单独的光纤发送光子对的每个成员，保持纠缠的量子态。
接下来，他们将两个光子分开很远的距离：最初约为 400 米，这样它们之间的光传播时间将超过一微秒。
最后，他们进行了关键测量，每次测量之间的时间差约为数十纳秒。
他们进行了这一实验一万多次，并建立了如此可靠的统计数据，以至于在堵住“隐形信号”漏洞的同时创造了重要的新记录。 如今，随后的实验在测量纠缠光子之间的距离已将其拉近数百公里，其中一项实验在地球表面和地球轨道上发现了纠缠对。
世界上许多基于纠缠的量子网络，包括那些延伸到太空的量子网络，正在开发中，以利用量子隐形传态、量子中继器和网络的怪异性以及量子纠缠的其他实用方面。 （：SA 等超意识量子物理纠缠，2019 年第 70 期）
泽林格也许还因设计关键设备而闻名，该设备使迄今为止发现的最奇怪的量子现象之一：量子隐形传态成为可能。 有一个著名的量子不可克隆定理，该定理指出，如果不破坏原始量子态本身，就无法创建任何量子态的副本。 的团队与 de 的独立小组一起，通过实验演示了一种纠缠交换方案：即使一个粒子的量子态与另一个粒子纠缠在一起，也可以有效地“移动”。 ”到另一个粒子，即使是一个从未直接与它现在纠缠的粒子相互作用的粒子。
量子克隆仍然是不可能的，因为原始粒子的量子特性没有被保留，但“剪切和粘贴”的量子版本已经被明确地证明：这是一项意义深远、值得诺贝尔奖的进步。
约翰·克劳瑟（左）、艾伦·阿斯珀特（中）和安东·泽林格（右）因其在量子纠缠领域的进展和实际应用而获得 2022 年诺贝尔物理学奖。 诺贝尔奖已经被期待了20多年，今年的评选基于研究的好处，这是无可争议的。 （：盖蒂/，E.）
今年的诺贝尔奖不仅仅是对物理学的好奇心，更是对揭示有关量子现实本质的一些更深层次真理的深刻好奇心。 是的，它确实做到了这一点，但它也有实际的一面：体现了诺贝尔奖的精神，诺贝尔奖旨在表彰为改善人类而进行的研究。 得益于 、 和 等人的研究，我们现在了解到，纠缠使得纠缠粒子对可以被用作量子资源：使其最终能够用于实际应用。
量子纠缠可以在非常远的距离上建立，使得量子信息的远距离通信成为可能。 量子中继器和量子网络现在都能够精确地执行这项任务。 此外，受控纠缠现在不仅可以在两个粒子之间实现，而且可以在许多粒子之间实现，就像在许多凝聚态物质和多粒子系统中一样：再次同意量子力学的预测，但不同意隐变量理论。 最后，安全的量子密码学是通过贝尔不等式违反测试专门实现的：泽林格本人再次证明了这一点。
为 2022 年诺贝尔物理学奖获得者约翰·克劳瑟 (John )、艾伦·阿斯科特 (Alan Ascot) 和安东·泽林格 (Anton ) 欢呼三声！ 因为他们相信量子纠缠不再只是一种理论上的好奇心，而是当今技术前沿的强大工具。
/-一声巨响/--诺贝尔奖-/
