诺贝尔奖委员会在其官方介绍中表示，量子力学现在拥有广泛的研究领域，包括量子计算机、量子网络和安全量子加密通信。
诺贝尔物理委员会主席伊尔巴克表示：“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超出了解释量子力学的基本问题”。
北京计算科学研究中心教授薛鹏提前猜出了今年的获奖者。 她告诉《惠谱》，这三位获奖者是当之无愧的。 以下是薛教授对今年获奖作品的科普介绍。
撰写者 | 薛鹏
2010年，法国的阿兰·埃斯佩特（Alain）、美国的约翰·克罗泽（John ）和奥地利的安东·吉林格（Anton ）三位物理学家“因其在量子物理学方面的工作而获得认可”。 他因其基本概念和实验贡献而被授予沃尔夫奖，特别是一系列日益复杂的贝尔不等式检验。
美国物理联合会科普网站预测，这三位物理学家将在2019年、2020年、2021年连续三年获得诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦认为，量子纠缠是一种远距离相互作用，是令人难以置信的，并且违反了狭义相对论。 相反，他在普林斯顿大学的助手鲍里斯和罗森提出了一个思想实验，这就是著名的 EPR 悖论。 描述A和B是自旋为1/2的粒子，初始总自旋为零。 假设粒子有两种可能的自旋，即 |up> 和 |down>。 那么，如果粒子 A 的自旋为 |up>，则粒子 B 的自旋必定为 |down>，这样才能保持整体守恒。 反之亦然。 这时我们说这两个粒子构成了量子纠缠态。
两个粒子 A 和 B 朝相反方向飞行。 他们的距离越来越远了……无论距离有多远，他们总应该是|上>|下>相关的。 这两个粒子由两侧的观察者爱丽丝和鲍勃进行测量。 根据量子力学，只要Alice和Bob没有进行测量诺贝尔物理学奖2023量子纠缠的意义，每个粒子就应该处于某种叠加态。 例如，|upper>和|lower>分别是概率为50%的叠加状态。 那么，如果Alice测量A，A的叠加状态瞬间崩溃，例如崩溃成|UP>。 现在，问题出现了：既然 Alice 将 A 测量为 |upper>，由于守恒，B 必定为 |lower>。 然而，此时A和B之间的距离已经很远了，比如说几万光年。 根据量子力学理论，B也应该有一半|upper>和一半|lower>的概率。 为什么它能做到这一点？ 总是选择|下一步>？ 除非有某种方法可以在粒子A和粒子B之间及时“交换消息”？ 即使假设它们可以相互感知，这似乎也是远距离的瞬时信号！ 而这种远距离作用，与相对论认为光速无法被超越的理论是相悖的。 所以，这就构成了一个悖论。
处于纠缠态的两个粒子之间的相关性与粒子之间的距离无关； 可以同时测量，也可以延迟测量，即超光速测量； 它与太空环境无关，不能被电磁屏蔽、重力屏蔽等它们的关联所阻挡。
爱因斯坦认为这种现象永远不会发生，并将其称为幽灵般的超距作用。 问题源于“量子力学是不完备的”。
玻尔认为，量子世界是非定域的，这种远距离作用必定存在，并且量子力学是完备的。
因此，他认为量子力学是不完备的，他希望建立一种更加普遍的局域实在论理论来弥补量子理论的缺陷，消除远距离效应。 作为爱因斯坦思想的继承人，玻姆于1952年引入了“隐变量”，并形成了基于局部实在论的完全决定性的理论——局部隐变量理论。 下面是通过实验来验证量子力学理论是否正确完整或者局部隐变量理论是否正确完整。
贝尔定理的实验验证是为了检验量子力学理论或局部隐变量理论是否正确而设计的物理实验。 1964年，约翰·贝尔定义了一个可观测量，并预测基于局部隐变量理论的测量值会很小。
这意味着局部隐变量理论是错误的。
贝尔不等式的诞生宣告了量子力学理论的局部争议，将其从纯粹的哲学推测转变为可以通过实验证伪的科学理论。 尽管贝尔作为爱因斯坦的追随者，他研究隐变量理论的初衷是为了证明量子力学的非定域性是错误的，但随后的所有实验都表明，局域隐变量理论的预测是错误的，量子力学的非定域性是错误的。理论预测与实验相符。
1969 年，当时是哥伦比亚大学研究生的约翰与霍恩、阿布纳和霍尔特一起，通过现在称为霍恩-霍尔特 (CHSH) 不等式，将贝尔 1964 年的数学定理转化为非常具体的实验预测。
1972年，约翰已经是一名博士后研究员。 他和他的研究生是第一个通过实验证明两个相距较远的粒子可以纠缠的人。 约翰继续进行了三个实验来测试量子力学和纠缠的基础诺贝尔物理学奖2023量子纠缠的意义，每个新实验都证实并扩展了他的结果。 – 该实验是对 CHSH 不等式的首次测试，该不等式已在世界各地的实验室进行了数百次测试，以证实量子纠缠的现实。 由于存在局域性漏洞，即纠缠粒子之间的距离太小，无法解释纠缠的非局域性，因此结果并不令人信服。
1982 年，艾伦等人。 改进了巴黎十一大学的贝尔定理实验，利用了钙离子级联辐射的光子对之间偏振态的纠缠。 实验结果违反了贝尔定理。
1998年，安东等人在奥地利因斯布鲁克大学完成了贝尔定理实验，彻底消除了定位漏洞，实验结果是确凿的。
随后这些年，大家因为之前实验的不完善和漏洞，通过各种成对纠缠的例子来验证贝尔不等式。 例如，本地漏洞和检测漏洞。 所谓局域漏洞是指纠缠粒子之间的相关性对应时间超过了光速。 例如，如果检测到一个粒子并获得结果，则同时获得另一粒子的结果。 然而，如果两个粒子之间的距离不够长，那就不够了。 实验证明，光以光速传播所需的时间比得到另一个光子结果所需的时间要长得多。 存在局部漏洞。 探测器的漏洞在于，因为探测器效率不是100%，所以可以理解为所有探测到的粒子都违反贝尔不等式，而未探测到的粒子则不违反贝尔不等式。
2015年，荷兰代尔夫特理工大学的一个研究小组报告了他们完成的实验，以验证钻石色心系统中的贝尔不等式。 为了避免局部漏洞，只需将两个钻石色心放置在相距 1.3 公里的两个实验室中即可。 利用纠缠光子对和纠缠交换技术，他们实现了钻石色心电子之间的纠缠。 两个色心之间直接光通信所需的时间约为4.27微秒，完成一次实验的时间为4.18微秒，比光通信时间少了90纳秒，从而解决了局部脆弱性。 此外，色心测量效率高达96%，测量漏洞也被堵塞。 简而言之，他们声称实现了验证贝尔不等式的完美实验，以96%的置信度（2.1个标准差）支持量子理论，从而证伪了局部隐变量理论。
如果这两个漏洞被堵住了，那么还有一个漏洞就是自由意志。 实验过程中需要选择测量基准。 有人认为，测量基准的选择是受意识影响的，这就产生了漏洞。 于是，所谓的大钟实验诞生了。
2016年，大钟测试启动，并在全球招募了超过10万名志愿者。 实验中，要求所有志愿者根据个人自由意志不断做出选择，形成二进制随机数，并在益智游戏中快速随机按下0或1，在时间内不断产生每秒1000比特以上的数据流。 12小时。 ，全部记录在互联网云端，并实时随机分发给分布在世界各地的相关研究团队，以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验。 大钟实验相信人类拥有真正的自由意志。 大钟实验通过大量参与者的自由意志，在更大范围内堵住了自由选择的漏洞，并强烈否定了爱因斯坦的局域性原理。
这三位科学家当之无愧地获得了诺贝尔物理学奖。 正如诺贝尔物理委员会主席所说，获奖者对纠缠态的研究已经超越了解释量子力学的基本问题。 这是因为基于三位物理学家的研究，量子纠缠已经在许多物理系统中得到了实验证实和利用。 例如，在我们的实验室中，当激光穿过非线性晶体时，会发生自发参量下转换过程，泵浦光子会分裂成一对光子，满足相位匹配条件。 这对光子处于特定的纠缠状态。 无论这两个光子相距多远，比如一个留在我的实验室，另一个通过墨子号卫星发送到太空，只要我们在我的实验室测量并知道光子的状态，就不需要测量远处的另一个。 当太空中的光子进行任何操作时，它们的状态可以立即得知。
量子纠缠是一种非常重要的物理资源，可以应用于量子保密通信，使我们获得更加安全、高效的通信方式。 当应用于量子计算时，它使我们能够拥有经典计算机无法比拟的强大计算能力的量子计算机。 当应用于量子精密测量时可以让我们有更精确的测量方法等等。
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