纠缠是强大的工具！ 2022年诺贝尔物理学奖解读

今天获得诺贝尔物理学奖的三位科学家——法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格，他们通过开创性的实验展示了处于纠缠状态的粒子的潜力，这三位获奖者对实验工具的开发，也为量子技术的新时代奠定了基础。

阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·塞林格（右）。图片来源：诺贝尔奖官网

　　你明白“纠缠”吗

　　在所谓的“纠缠对”中，一个粒子发生的事情，会决定另一个粒子发生的事情（不管相距多远）。这意味着什么？

纠缠示意图。

　　量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。其与全世界正密集研发的、以利用单个粒子系统的特殊属性来构建的量子计算机、改进测量、量子网络以及量子加密通信，都能息息相关。

　　以上应用，均需依赖于量子力学如何允许两个或多个粒子以共享状态存在，甚至无论它们相隔千山万水，均能保持这一状态。

　　这被称为纠缠。

　　自从该理论提出以来，它一直是量子力学中争论最多的元素之一。

　　两对纠缠粒子从不同的来源发射。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式相互纠缠而聚集在一起。然后，其他两个粒子（图中的1和4）也被纠缠在一起。通过这种方式，两个从未接触过的粒子可以纠缠在一起。

　　阿尔伯特·爱因斯坦说这是“幽灵般的超距作用”，而埃尔温·薛定谔说这是量子力学最重要的特征。

　　今年的获奖者们，探索了这些纠缠的量子态，他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍，为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

　　不断解决漏洞

　　长期以来存在的一个问题是，相关性究竟是不是因为纠缠对中的粒子包含隐藏变量。1960年代，约翰·斯图尔特·贝尔提出了以他的名字命名的数学不等式。这说明如果存在隐藏变量，则大量测量结果之间的相关性，永远不会超过某个值。然而，量子力学预测某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式产生了更强的相关性。

　　量子力学的纠缠对可与反方向抛出相反颜色球的机器相提并论。当鲍勃接住一个球，看到它是黑色的时，他立即知道爱丽丝抓住了一个白色的。在使用隐藏变量的理论中，球总是包含有关显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学却说，这些球是灰色的，直到有人看着它们时，一个随机变成白色而另一个变成黑色。贝尔不等式关系表明，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·克劳泽发展了贝尔的想法，并通过一个实际的实验进行测量，测量结果通过明显违反贝尔不等式来支持量子力学。这意味着，量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代。

约翰·克劳泽研究示意图。

　　在约翰·克劳泽的实验之后，一些漏洞仍然存在。阿兰·阿斯佩开发了一种新设置，并以一种弥补重要漏洞的方式使用它。他能够在纠缠对离开其源后切换测量设置，因此在它们发射时既有设置就不会影响结果。

阿兰·阿斯佩研究示意图。

　　使用改良工具和一系列长期实验，安东·塞林格的团队利用纠缠量子态证明了一种称为量子隐形传态的现象，它可以将量子态从一个粒子移动到远距离的另一个粒子。

安东·塞林格研究示意图。

“纠缠态”正从理论走向技术

　　量子力学现已开始得到应用，并产生了很广阔的研究领域，其包括量子计算机、量子网络和更为安全的量子加密通信。

　　从实践的角度来说，量子纠缠所代表的，其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满，正源于每一阶段可应用范围的不够。

　　诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克这样总结道：“越来越清楚的是，一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”