2022年諾貝爾物理學獎獲得者

北京時間10月4日下午，在瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學院宣布，将2022年諾貝爾物理學獎授予法國的阿蘭·艾斯佩特（Alain Aspect）、美國的約翰·柯羅瑟（John Clauser）、和奧地利的安東·吉林哲（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。

這三位科學家獲得諾貝爾物理學獎，實至名歸。就像諾貝爾物理學委員會主席說的那樣，獲獎者對糾纏态的研究已經超越了解釋量子力學的基本問題。那就是因為以三位物理學家的研究為基礎，量子糾纏已經在很多物理體系中被實驗證實并且加以利用。比如在我們實驗室中，激光經過非線性晶體，會産生自發參量下轉換過程，一個泵浦光子就會分裂成一對光子，滿足相位匹配條件。這一對光子就處于某一個特定的糾纏态上。這兩個光子無論相距多遠，比如一個留在我的實驗室，一個用墨子号衛星發送到太空，隻要我們測量得知我實驗室中的光子的狀态，不需要對另外一個在遙遠的太空的光子做任何操作，都可以瞬間獲知它的狀态。

量子糾纏是一種非常重要的物理資源，可以應用于量子保密通信，使我們獲得更加安全高效的通信方式，應用于量子計算，使我們擁有經典不可比拟的強大算力的量子計算機，應用于量子精密測量，使我們擁有精度更高的測量方式等等。

此外，早在12年前，2010年，他們三位物理學家就因其在量子物理學基礎上的基本概念和實驗貢獻，特别是一系列日益複雜的貝爾不等式測試，而獲得沃爾夫獎（Wolf Prize）。

而且，美國物理聯合會旗下科普網站Inside Science于2019、2020、2021連續三年預測該三位物理學家将獲得諾貝爾物理學獎。

但量子糾纏在被應用到現實生活之前，僅在理論假設和實驗驗證階段就曆盡波折。

首先，愛因斯坦就認為量子糾纏這種超距相互作用是不可思議的，違背了狹義相對論。

愛因斯坦與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一個思想實驗，就是著名的EPR佯謬。

EPR佯謬描述了A、B為自旋1/2的粒子，初始總自旋為零。假設粒子有兩種可能的自旋，分别是|上>和|下>，那麼，如果粒子A的自旋為|上>，粒子B的自旋便一定是|下>，才能保持總體守恒。如果這兩個粒子朝相反方向飛奔，相距越來越遠。那麼，無論相距多遠，它們應該永遠是|上>|下>關聯的，才能保持總體守恒。如果分别由觀察者Alice Bob對兩個粒子進行測量。根據量子力學的說法，隻要Alice和Bob還沒有進行測量，每一個粒子都應該處于某種疊加态，比如說，|上>、|下>各為50%概率的疊加态。然後，如果Alice對A進行測量，A的疊加态便在一瞬間坍縮了，比如，坍縮成了 |上>，因為守恒的緣故，B就一定要為|下>。但是，此時的A和B之間已經相隔非常遙遠，比如說幾萬光年吧，按照量子力學的理論，B也應該是|上>和|下>各一半的概率，為什麼它能夠做到總是選擇|下>呢？除非A粒子和B粒子之間有某種方式及時地“互通消息”？即使假設它們能夠互相感知，那也似乎是一種超距瞬時的信号！而這超距作用又是與相對論中光速不可超越相違背。于是，這就構成了佯謬。

與粒子之間的距離無關；可以同時測量，也可延遲測量，即超光速的；與空間環境無關，電磁屏蔽、引力屏蔽等都無法阻擋它們的關聯，這就是處在糾纏态的兩個粒子之間的關聯性。

愛因斯坦一方認為這種現象絕不會出現的，并把這種現象稱為幽靈般的超距作用，并稱，問題源于“量子力學是不完備的”。愛因斯坦希望建立一個更普适的局域實在論理論來彌補量子理論的不足，消除超距作用。

而玻爾認為，這個超距離作用必定存在，量子力學是完備的；量子世界是非局域的。

作為愛因斯坦的追随者之一，1964年，貝爾（John Bell）定義了一個可觀測量，并基于局域隐變量理論預言的測量值都不大于2。一旦實驗測量的結果大于2，就意味着局域隐變量理論是錯誤的。這被成為“貝爾定理”、“貝爾不等式”。

貝爾不等式的誕生，宣告了量子力學理論的局域性争議，從帶哲學色彩純粹思辨變為實驗可證僞的科學理論。

貝爾研究隐變量理論的初衷，是要證明量子力學的非局域性有誤，可事與願違。

1969年，當時還是哥倫比亞大學研究生的John Clauser，和Michael Horne、Abner Shimony和Richard Holt一起，通過被稱為Clauser-Horn-Shimony-Holt(CHSH)不等式，将前述貝爾1964年的數學定理轉化為一個非常具體的實驗預測。

1972年，John Clauser已經是博士後研究員了，他和研究生Stuart Freedman第一個用實驗證明了兩個相距很遠的粒子可以糾纏在一起。

John Clauser繼續進行了另外三個實驗，以測試量子力學和糾纏的基礎。每個新實驗都證實并擴展了他的結果。

1982年，Alan Aspect等人在巴黎第十一大學改進Clauser和Freedman貝爾定理實驗，利用在鈣離子級聯輻射出的光子對之間的偏振态的糾纏，實驗結果違反“貝爾不等式”。

1998年，Anton Zeilinger等人在奧地利因斯布魯克大學完成“貝爾不等式”實驗，利用非線性晶體中參量下轉換産生的糾纏光子對，部分地排除定域性漏洞，實驗結果具有決定意義。

随後，多年來大家還是通過各種各樣的糾纏例子對，驗證貝爾不等式，是因為之前實驗存在的不完美和漏洞，例如局域性漏洞、測量漏洞。

所謂局域性漏洞，就是指糾纏粒子之間關聯的相應時間超越光速，比如對一個粒子探測得到結果，另外一個粒子的結果也就瞬間得到，但是如果兩個粒子之間距離不夠長，不足以證明通過光速傳播的時間，是遠遠長于實驗上得到另一個光子結果的時間，這就存在局域性漏洞。

而測量漏洞則是因為探測器效率不是100%，所以可以理解為探測到的粒子都違背貝爾不等式，而沒有探測到的粒子是不違背的。

2015年，荷蘭Delft技術大學的Ronald Hanson研究組，報道了他們在金剛石色心系統中完成的驗證貝爾不等式的實驗：要避免局域性漏洞，隻需把兩個金剛石色心放置在相距1.3公裡的兩個實驗室。兩個色心直接用光通訊所需時間大概4.27微秒，而完成一次實驗的時間為4.18微秒，比光通信時間少90納秒，因此解決了局域性漏洞。此外，色心的測量效率高達96%，測量漏洞也被堵上了。他們聲稱實現了無漏洞的驗證貝爾不等式的實驗，在96%的置信度（2.1個标準差）上支持量子理論，從而證僞了局域的隐變量理論。在實驗中，他們利用糾纏光子對和糾纏交換技術，實現了金剛石色心電子之間的糾纏。

如果這兩個漏洞都被堵上，還有一個漏洞就是自由意志，在實驗過程中需要選擇測量基，也有人認為測量基的選擇收到意識的影響，而産生漏洞。于是就誕生了所謂的大貝爾實驗。

2016年，大貝爾實驗展開，并召集到世界各地超過10萬名志願者。在實驗中，所有志願者都需要基于個人的自由意志不斷地進行選擇形成二進制随機數，在過關遊戲中快速随機地按下0或者1，12小時内共持續産生每秒逾1000比特的數據流，全部記錄在互聯網雲端，并被實時和随機地發放給分布在世界各地的相關研究團隊，用以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗。大貝爾實驗相信人類擁有真正的自由意志，通過大量參與者的自由意志，大貝爾實驗在更廣泛的範圍内關閉自由選擇漏洞，強烈否定愛因斯坦的定域性原理。

至此，量子糾纏“幽靈般的超距作用”被證實是存在的，并被一步步推向現實。

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