北京时间2022年10月4日，2022年诺贝尔物理学奖宣布授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain）、美国理论与实验物理学家约翰·F.（John F.）、奥地利量子物理学家安东·蔡林格（Anton ），以表彰他们的研究成果。 “关于纠缠光子的实验证明了贝尔不等式的违反并开创了量子信息科学。” 谈起三人的贡献，就不得不谈起人类认识量子力学的过程。 量子力学是物理学的一个分支，它在原子和亚原子领域的粒子尺度上解释自然，包括光子、电子和夸克。 基本思想是这些微观粒子的属性是概率性的。
上帝不玩骰子
众所周知，爱因斯坦既是量子力学的创始人，又是量子力学的批评者。 他对这一理论最强烈的抱怨可以用一句话来概括：“上帝不玩骰子。” 几乎每个人都知道这句话，但这句话的真正含义是什么？
量子力学是一种非确定性理论，这意味着它无法预测实验的确切结果，它只能预测实验中进行的每个可能测量的每个可能结果的概率。 在爱因斯坦看来，事物应该是真实的、确定的，不因测量而改变。 概率只是因为现有的量子理论不完整。 因此，他认为应该有一个潜在的现实隐藏在我们面前（隐变量），而量子力学只是对这个现实的近似解释。
在量子力学中，量子纠缠被解释为一种物理现象，其中一组粒子彼此相关，必须以整体方式描述。 组中每个粒子的量子态不能独立于其他粒子的状态来描述。 如果两个粒子量子纠缠，观察者通过“观察”确定一个粒子的量子态，而另一个粒子的量子态也会同时塌缩，无论两个粒子相距多远。 （例如数亿光年之外），这称为“非定域性”。 玻尔和薛定谔等著名科学家支持量子纠缠的非局域性质。
爱因斯坦与玻尔的辩论
如果粒子有某种方式可以及时“交换信息”，那一定是远距离的瞬时信号，这与相对论中光速无法超越的理论相悖。 因此，量子纠缠被爱因斯坦称为“幽灵般的超距现象”，并对这一理论提出质疑。 1935 年，他与普林斯顿大学的同事鲍里斯·波多尔斯基 (Boris ) 和内森·罗森 ( Rosen) 一起发表了一篇论文，表明量子力学解释似乎无法提供对现实的完整描述，即所谓的 EPR 悖论。 爱因斯坦认为，纠缠粒子之所以相互关联，正是因为它们包含某种“隐变量”。
如何用实验来区分纠缠粒子之间的相关性是由于量子力学的内在性质还是由于某种“隐变量”？
贝尔不等式
约翰·斯图尔特·贝尔
1964年，在瑞士欧洲核子研究组织（CERN）工作的北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Bell）对证明隐变量的存在感兴趣。 他的专业是核物理，主要研究量子力学。 一个爱好。 他发表了一篇开创性的论文，其中他设计了一个实验，根据严格的数学推理来确定这个问题。 如果贝尔的实验重复多次，所有带有隐变量的理论都会导致结果之间的相关性小于或等于某个值。 这称为贝尔不等式。 如果实验结果违反了这个不等式，就意味着不存在隐变量，量子力学中对纠缠的解释是正确的。
要进行纠缠实验，必须首先准备相互纠缠的粒子。 美国物理学家约翰·惠勒（John ）此前曾假设，当正电子和负电子相遇时，它们会湮灭并发射出一对光子。 这对光子相互纠缠。 早在1948年，在哥伦比亚大学吴建雄的实验室里，吴建雄和萨科诺夫就首次成功地进行了这一实验。 这也是人类第一次制备出纠缠粒子。 但此时的纠缠粒子并不稳定，无法用来验证贝尔不等式。 贝尔最初计划用自旋电子对进行实验验证，但由于实验难度较大而未能如愿。
克劳瑟的实验
约翰·克劳瑟在他的实验设备前
劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的约翰·克劳瑟 (John ) 和研究生斯图尔特·弗里德曼 ( ) 率先将贝尔的实验从纸上带到了实验室。 包括理查德·费曼在内的著名物理学家劝阻克劳瑟进行这项实验，认为量子力学不需要进一步的实验证明，但贝尔亲自写了一封信鼓励克劳瑟完成这项研究。
克劳瑟认为，如果使用纠缠光量子而不是自旋电子，进行贝尔实验会更可行。 但正负电子碰撞能量过高，产生的光子频率过高，给实验带来困难。
1972年，克劳瑟和弗里德曼首次利用光的偏振成功完成了贝尔实验。 他们提出了一种获得纠缠光子的新方法。 当钙原子受到紫外线照射时，电子可能被激发到高两个能级的状态。 那么当能量回落时，可能会连续回落到两个能级，有一定的概率会辐射出两个纠缠的电子。 光子。 当使用钙原子时，会辐射出波长为551nm的绿色光子和423nm的蓝色光子。 就像电子的自旋可以呈现两个不同的方向一样，光子的偏振（偏振）可以呈现相对于偏振器方向的两个值之一。
一旦发生测量，光子偏振的量子态就会塌陷到特定方向，并且由于纠缠，两个光子的偏振方向必须彼此垂直。
因此，在实验中，两个光子各通过一个偏振滤光片。 两个滤光片的偏振角彼此垂直。 如果两个光子都穿过偏振片或者都不穿过偏振片，则说明两个光子的偏振相关。 性，即纠缠。 如果一个光子通过偏振而另一个光子没有通过，则两者之间缺乏相关性。
在实验之前，克劳瑟还下了 2 美元（一些记录称 500 美元）的赌注，认为他的实验将证明爱因斯坦是正确的。 实验结果让他很失望。 经过多次光量子实验，结果违反了贝尔不等式，排除了微观世界中任何“隐变量”的存在。 爱因斯坦错了，克劳瑟输掉了赌注，但却为量子力学赢得了巨大的胜利。
克劳瑟实验的局限性之一是它在产生和捕获光量子方面效率较低。 制备纠缠光子对是非常困难的。 大约一百万个光子中可能存在一对纠缠光子。 因此，这个实验还是相当困难的。 克劳瑟和弗里德曼花了很长时间，总测试时间超过了200小时。
更重要的是，由于偏光镜是固定角度，测量是预设的，这可能会导致贝尔实验的隐藏变量出现漏洞。 接下来我们看看另一位获胜者艾伦·阿斯佩是如何填补克劳瑟实验中的漏洞的。
阿斯佩的实验
阿兰·阿斯佩和他的实验装置
九年后的1981年，正在攻读博士学位的阿斯佩也关注到了贝尔不等式实验。 在攻读博士学位期间，阿斯佩发表了三篇论文。 在第一篇论文中，他重现了克劳瑟的实验，并对克劳瑟的方法进行了很大的改进，提高了获得纠缠光子的效率。 因此，他选择了已经比较成熟的激光作为激发钙原子的光源。 大大提高效率。 最终的实验结果比克劳瑟当年获得的数据高出几个数量级。 他们还违反了贝尔不等式，该不等式证实了粒子之间存在纠缠，而不是隐藏变量。
在第二篇论文中，Aspe采用了双通道的方法来提高光子的利用率，减少之前实验中的“检测漏洞”。 这次实验也取得了巨大成功，最终以40倍误差范围的偏差违反了贝尔不等式，再次有力证明了量子力学的正确性！
在第三篇论文中，阿斯佩还将“延迟选择实验”与贝尔实验结合起来。 通过发射纠缠光子，然后随机改变偏振器的角度，他进一步证明了纠缠光子之间不存在相互信号传输。 可能隐藏变量中可能存在的漏洞被堵住了。
然而，科学界随后对Aspe实验中的“随机性”提出了挑战，认为如果随机数发生器和光子发射源过去通过某种隐藏机制相互作用，那么观察者的测量设置甚至会影响光子本身的一些性质会受此影响，导致实验观察到一些不应该存在的相关性。 为了解决这个问题，三十年来进行了多次贝尔实验，以填补“未知隐变量”可能存在的漏洞。 安东·蔡林格 (Anton ) 是其中最优秀的人之一。
赛林格的实验
Anton 位于维也纳的实验室
这项实验由奥地利量子光学与量子信息研究所的蔡林格进行，是迄今为止最大规模的量子力学测试。 他的实验仍然使用纠缠的光子对。 该实验利用六架望远镜和一系列光学设备收集数十亿年前某些星系发出的光线史野物理学家，将验证范围扩大到整个宇宙和时空，试图将随机数生成工作外包给宇宙本身以获得最大可能的随机性。 而且，产生不同随机数的恒星彼此相距数亿光年，它们之间绝对不可能通过某种遵循相对论的“隐变量”信号（即，低于光速）。
在科学史上，蔡林格的实验被称为“维也纳屋顶实验（下）”。 他们将纠缠光子源放置在维也纳大学化学与物理研究所的屋顶上，光子探测端位于相距1700米的两栋建筑内。 每当夜幕降临史野物理学家，两地的研究人员都会用小型望远镜观察天空中南北方向的星星，望远镜收集到的星光会传输到测量波长的仪器上。 如果星光的波长低于 700 纳米，仪器将以一种方式生成结果（例如生成数字 1），反之亦然。 这是宇宙中恒星发射的光子随机产生0和1来设置测量参数。
与之前的所有实验一样，维也纳屋顶实验也表明量子力学是正确的，并且在光子到达地球所需的 600 多年时间内不存在可以影响观测设置的“隐藏变量”。 利用这种方法，蔡林格成为第一个堵住贝尔纠缠光子实验中所有隐变量漏洞的人。
值得一提的是，中国潘建伟院士是蔡林格当时的主要助手。 由于纠缠光子可以在几乎空无一物的自由空间中行进很长的距离，进一步分离两个纠缠光子的探测端可以更好地堵塞贝尔实验中的漏洞。 2017年6月，潘建伟院士的中国团队通过墨子号量子通信实验卫星向德令哈和丽江分发了纠缠光子对。 实验中，创下了1203公里的量子纠缠最远距离记录。 实验结果再次表明贝尔不等式不成立，这一结果以封面论文的形式发表在《》上。
此外，作为量子领域的领军大师，蔡林格的贡献还包括首次实现了量子隐形传态。 这是一种利用分散的量子纠缠和一些物理信息的转换（）将量子态传输到任意距离的技术。 这是一种全新的沟通方式。 它传输的不再是经典信息，而是量子态承载的量子信息。 借助量子纠缠，待传输的量子态神秘地消失在一处，仿佛经历了科幻小说中描述的“超时空传输”。 它不需要任何载体来承载，神秘地出现在另一个地方。
1997年，蔡林格研究团队在室内完成了量子隐形传态的首次原理实验验证，成为量子信息实验领域的经典。 2004年，该团队利用多瑙河底部的光纤通道，成功地将量子隐形传态距离提高到600米。
总结
三位诺贝尔奖获得者克劳瑟、阿斯佩和蔡林格的实验持续了半个世纪。 在贝尔天才的数学洞察力和严谨的推理的指导下，他们揭示了我们宇宙的本质。 它要么是非确定性真实的，这意味着微观粒子的状态在被测量之前是不确定的概率存在； 或者它是非局部的，这意味着即使在很远的距离上，微观粒子也可以是瞬时的。 互相影响。 这些违反我们对宏观世界直觉的现象为当今的量子计算和量子通信等应用奠定了基础。
克劳瑟、阿斯佩和蔡林格是三位诺贝尔奖获得者
最后，回到2022年诺贝尔物理学奖的获奖理由：“纠缠光子实验证明了贝尔不等式的违反，开创了量子信息科学的先河”。 这个理由再次证明了光学和光量子对量子领域乃至整个物理学的根本性和革命性影响。
光子学一直是研究量子力学、推进量子信息科学、发展量子技术的旗舰体系。 正是对光本质的探索、普朗克对黑体辐射的光谱分析、爱因斯坦对光电效应的研究催生了量子力学，以及双缝干涉等一系列科学史上的经典实验。实验和惠勒的延迟选择实验，以及这次诺贝尔奖的贝尔实验，正在逐步揭示光和其他物质在量子世界中的波粒二象性。 干涉、叠加、纠缠等展示了量子世界中不同且违反直觉的定律。 。 以激光为代表的光学技术带来的加工、测量、操纵等方面的全方位工程技术进步，推动了物理、天文学、宇宙学、化学、医学等学科的跨越式发展。 据不完全统计，至少有40位诺贝尔奖得主的成就与光学有关。
如今，量子信息技术快速发展，量子通信已实用化，基于光量子的量子通信已开始形成网络。 随着基础技术和理论解决方案的不断发展，光量子计算也取得了长足的进步，代表着一条令人兴奋的中大规模处理之路，甚至被认为是实现百万量子比特规模量子计算的唯一途径。
近年来，随着量子光源的改进、光量子集成平台的发展、探测器的改进以及新颖的抗噪声理论方法的发展，光量子作为量子信息处理和量子网络的主要地位得到进一步巩固。 未来，光量子必将拥有巨大的潜力。
附：2021年诺贝尔奖回顾
此外，去年诺贝尔物理学奖的一半被授予真锅周郎和克劳斯·哈塞尔曼，以表彰他们“对地球气候进行物理建模，量化变异性并可靠地预测全球变化”。 另一半则授予乔治·帕里西（ ），以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。
帕里西的研究涉及自旋玻璃理论，该理论解释了混沌边缘的复杂现象。 帕里西的自旋玻璃理论在伊辛模型的基础上进行了扩展，深刻地揭示了无序系统中隐藏的对称性。 伊辛模型对于这些处于混沌与秩序边缘的复杂现象来说是一个很好的数学模型，并且具有广泛的跨学科应用，例如金融股票市场、种族隔离、政治选择等复杂问题。 Ising 模型可用于对神经网络系统进行建模，以构建能够适应环境并持续学习的机器（网络或玻尔兹曼机器）。 帕里西还因“发现无序复杂系统中隐藏的模式”而获得 2021 年诺贝尔物理学奖。
文：王恒