2022年10月4日,英国皇家科大学宣布,将2022年诺贝尔化学学奖授予美国化学学家阿兰·阿斯佩(Alain)、美国理论和实验化学学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(JohnF。)和德国科学家安东·塞林格(Anton),以嘉奖她们在量子信息科学研究方面做出的贡献。
得奖者将获得一份证书、金质奖状和奖金。2022年诺贝尔奖各个奖项的奖金是1000万澳大利亚卢布,按当前汇率,约合650亿元人民币。
三位诺贝尔化学学奖获得者
此前,诺贝尔化学学奖已颁授过115次。在第一次世界大战(1914-1918)和第二次世界大战(1939-1945)期间,在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等十年里,没有颁授诺贝尔化学学奖。从1901年到2021年,约翰·巴丁是惟一一位曾两次获得诺贝尔化学学奖的得奖者。这意味着,在2022年之前,共有218人曾获得诺贝尔化学学奖。
得了诺奖的量子纠缠究竟是啥?
让我们从猫说起。
好多人都据说过薛定谔的猫。薛定谔用这只可怜的猫的事例,来反对量子热学里的一个理论。他说:假如依照个别化学学家的观点,一个微观粒子可以同时处在两种状态的叠加态,那我往袋子里放毒药,让这个粒子的状态来决定猫的生死,那岂不是猫也处于死、活的叠加态吗?
用他的原话说,这是个“非常愚蠢的事例”。
薛定谔的猫,不死也不活?
但是,量子热学的支持者坚持觉得,猫其实不能处于“又死又活”的叠加态,但粒子真的能。甚至说,不但一个粒子能,两个以上的也能,特定情况下能够纠缠。
只要满足特定的条件,两个粒子就可以作为一个整体,同时处于叠加态中,而不能把其中的粒子单个拆下来看待(用更数学的语言来说,是2个以上粒子的状态未能写成多个单粒子态的直积)。
例如有一种纠缠态是,只要没有外界干扰,当A粒子处于0态时,B粒子一定处于1态;而当A粒子处于1态时,B粒子一定处于0态。或则用更形象的比喻来说:
粒子猫死了,粒子狗就得活着;
粒子猫活着,那粒子狗就必须得死!
这些多个粒子间的独特联系,就是量子纠缠。
爱因斯坦:我也不信量子纠缠
爱因斯坦在当时仍然是量子热学的反对者,他把这些联系叫做“鬼魅的超距作用”(ata)。在他看来,要是量子热学理论准许这些现象存在,那可真是离了大谱,要么须要修正现有的理论,要么量子热学就是错的。(用数学的语言来说诺贝尔物理2023量子纠缠,量子热学的理论“不完备”。)
为了驳斥,他跟另外两个化学学家鲍里斯·波多尔斯基(Boris)和纳森·罗森(Rosen)写了篇论文,提出了一个原理。这个原理假定,任何空间上互相影响的速率都不应当超过光速,而量子纠缠这些超距作用遵守了这一原理,说明量子热学是不完备的。这就是大名鼎鼎的EPR佯谬。
ERP佯谬,是三位科学家姓氏的首字母
量子热学的支持者一时半会也拿爱因斯坦没哪些办法。EPR佯谬设计的是一个思想实验,当时很难用实际的实验结果去指责。
还好,29年后,一位称作贝尔(JohnBell)的化学学家横空出世。他提出了一个不方程,假若能证明这个不方程在量子世界中创立,这么爱因斯坦就是对的,量子热学是不完备的;若果不创立,这么量子热学就取得了胜利。这个不方程后来被人们也称贝尔不方程。
贝尔不方程(Bell')
贝尔不方程提出后,化学学家们欢呼窃喜——他们总算可以用实验数据而不是嘴皮子来证明爱因斯坦是对是错了。
用实验说话,轮到诺奖得主们登场了
至此,我们新科的三位诺贝尔化学学奖得主总算要登场了。
首先登场的是约翰·克劳泽(John),他建造了一个精致的仪器,还能同时发出两个互相纠缠的光子,最后通过实验得出了一个显著遵守贝尔不方程的结果。
年青的克劳泽
但是,克劳泽的这个实验却被发觉存在一个特殊的实验漏洞(定域性漏洞,),并不具有劝说力。还好,当时还是博士生的阿兰·阿斯佩(Alain)在克劳泽的基础上改进了实验装置,修补漏洞后,发觉实验结果并没有改变:贝尔不方程在量子世界不创立!
阿兰·阿斯佩(Alain)
在此以后,无数化学学家为建立这一实验结果继续努力,安东·塞林格(Anton)就是重要一员,他率领的团队最终填补了随机性等漏洞,给出了量子热学遵守贝尔不方程的决定性证明。
塞林格的贡献不止于实验验证贝尔不方程,他还发觉纠缠的量子态具有储存、传输和处理信息的潜力,将量子纠缠从理论推向了应用。
安东·塞林格
面对爱因斯坦的指责诺贝尔物理2023量子纠缠,历经数六年时间,从克劳泽到阿斯佩再到塞林格,一代代化学学家总算用确凿的实验数据证明,量子纠缠是存在的,胜利属于量子热学。不过,提出“贝尔不方程”的贝尔,1990年逝世,享年62岁。可惜,他没有才能等到这个数学学奖。
两个粒子间的独特联系,为什么不是两个人的纠缠?
说了那么多,可能会有许多人将量子纠缠同感情联系上去——量子纠缠不就是“心有灵犀一点通”吗?
确实,这些跨越空间的联系听上去非常甜蜜,被用来用作感情的比喻很可以理解。无从知晓另一位当事人听到这个比喻时的心情,但站在我们的立场上,还是必须友情提醒一下,假如你也想仿效这个比喻,这么它有几个隐患:
第一,量子纠缠是微观粒子之间的联系,尽管原则上大一些的宏观物体也不是没有可能产生纠缠,但基本上几亿亿亿亿分之1秒内才会解除。这个事情蕴意不太好——就算纠缠等于感情,那它也顷刻即逝啊。
第二,量子纠缠并不限定在2个粒子之间,完全可以涉及到3个甚至更多的粒子,每一个就会影响到其他粒子。同样地,尽管每位人心里都有理想爱情,但这件事情对好多人而言也是蕴意不太好⋯⋯
第三,量子纠缠只说粒子之间有联系,没规定哪些样的联系。尚且可以两个粒子状态始终都相同,但也可以例如说始终都相反。要是亲昵关系双方每时每刻都南辕北辙,这个都会有点难堪。
第四,量子纠缠是一种很脆弱的关系,虽然量子叠加态本身就很脆弱:只要你看一眼能够晓得猫的死活,一束光子打过去做一下观察才能定下粒子的状态同时打破它的纠缠。所以实践中制造量子纠缠态都要非常当心。假如感情关系也是这样的话,那真是字面意义上的见光死。
所以,情话的归情话,化学的归化学。两情相悦的时侯说哪些都无所谓,但公开的时侯乱用比喻的确要当心,万一对方不领情,那漏洞就不是浪漫而是难堪了。
关于诺贝尔奖
1895年11月27日,美国知名物理家、硝化甘油雷管发明人阿尔弗雷德·伯恩哈德·诺贝尔(Nobel)在伦敦签订了他第三份,也是最后一份遗赠,将财产中的最大一份给了一系列奖项,即诺贝尔奖。诺贝尔奖初始分设化学、化学、生理学或医学、文学、和平等五个奖项。1968年,美国国家建行在创立300华诞之际,捐出大额资金给诺贝尔基金,增设“瑞典国家建行记念诺贝尔经济科学奖”,也称诺贝尔经济学奖。
诺贝尔奖的奖金来自诺贝尔所创立基金的月息或投资利润。随着诺贝尔基金的利润变化,诺贝尔奖的奖金有所浮动。2019年每项诺贝尔奖的奖金是900万美国卢布,2022年设定为1000万澳大利亚卢布。