2022 诺贝尔物理学奖：量子革命进现实

2022 年 10 月 4 日北京时间 17 时 45 分许，2022 年诺贝尔物理学奖授予法国学者阿兰·阿斯佩（Alain Aspect） ，美国学者约翰·克劳泽（John Clauser）和奥地利学者安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不等式，开创量子信息科学”。

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）1947 年生于法国阿让，1983 年获法国巴黎第十一大学博士学位，现任巴黎萨克雷大学和巴黎综合理工学院教授。

约翰·克劳泽（John Clauser）1942 年生于美国加利福尼亚州帕萨迪纳，1969 年获美国哥伦比亚大学博士学位。美国 J．F Clauser ＆ Assoc 公司创始人、研究物理学家。

安东·蔡林格（Anton Zeilinger）1945 年出生于奥地利因河地区里德。1971 年在奥地利维也纳大学获得博士学位，现为维也纳大学教授。

量子力学并不仅仅是一个理论或哲学问题，更拥有广泛的应用基础。已经有大量研究正专注于利用单个粒子系统的特殊属性来建造量子计算机、改进测量方法，以及构建量子网络和安全的量子加密通信。

在量子力学中允许出现这样一种情况：无论相距多远，两个或多个粒子能够共享物理状态，这被称为量子纠缠。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。阿尔伯特·爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”，而薛定谔说这是量子力学最重要的特征。

今年的获奖者探索了这些纠缠的量子态，他们的实验为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

超越日常体验

当两个粒子处于纠缠态时，人们只要测量其中一个粒子的特性，那么就可以立即确定另一个粒子的等效测量结果。

乍一看，这也许并不奇怪。我们可以换个角度，将粒子类比成黑色和白色的球。想象一个实验，一个黑球朝一个方向发送，另一个白球朝相反方向发送。如果观察者接住一个球并看到它是白色的，那么可以立即得知向另一个方向行进的球是黑色的。

量子力学如此特别的原因在于，在被测量之前，量子力学中的“球”并没有确定的状态。就好像两个球都是灰色的，直到有人看到其中一个。这时，这个球可能会呈现为黑色，也可能呈现为白色。而另一个球就会立即变成相反的颜色。

但问题在于，我们怎么知道这些球最开始的颜色是不固定的呢？即使它们看起来是灰色的，但也许它们含有一个隐藏的标签，标注了当有人看到它们时，这些球应该变成哪种颜色。

量子力学中相互纠缠的粒子对可以比作向相反方向抛出的相反颜色的球。当鲍勃接住一个球并看到它是黑色的时候，他能立即知道爱丽丝接住了一个白色的球。关于隐变量的理论认为，这些球总是包含了关于显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学认为，在有人看到它们之前，这些球是灰色的，然后其中一个随机变成白色，而另一个变成黑色。贝尔不等式表明，有一些实验可以区分这两种情况——实验证明，量子力学的描述是正确的。

获得今年诺贝尔物理学奖的研究的一个重要部分是贝尔不等式（Bell inequalities）。贝尔不等式使得科学家可以通过实验，区分量子力学和隐变量这两种理论。实验表明，正如量子力学所预测的那样，这些球是灰色的，没有包含任何隐藏信息。在实验中，哪个球变成黑色、哪个变成白色，是概率决定的。

量子力学最重要的资源

纠缠的量子态提供了存储、传输和处理信息的新可能性。

如果一对相互纠缠的粒子同时向相反的方向行进，其中一个粒子与第三个粒子发生纠缠，有趣的现象就会出现。它们将转化为一个新的共享态。第三个粒子会失去独立性，但它的量子态属性会转移到与它纠缠的粒子（原始纠缠粒子对之一）上。纠缠现在已从原始对转移到单独的粒子。这种将未知量子态从一个粒子转移到另一个粒子的方式被称为量子隐形传态。1997年， 安东·蔡林格和他的同事，首次实现了量子隐形传态的实验。

值得注意的是，量子隐形传态是将量子信息从一个系统传输到另一个系统时，不会损失任何信息的唯一方法。想要测量一个量子系统的所有属性，而后传输这些信息并以此来重建整个系统是绝对不可能的。量子系统可以用概率叠加的量子态来完全描述，这意味着一个量子系统同时包含了多个量子态，每一个量子态都有一定的概率在测量时出现。

而一旦进行测量，那么量子系统就会坍缩为一个量子态，也就是通过测量系统观测到的态。而量子系统所有与测量得到的末态相叠加的态，在观测后将完全消失，任何方法都不能再对其进行测量。然而，通过量子隐形传态，我们可以将完全未知的量子态信息完好无损地转移到新的粒子中，但代价是破坏原始粒子所携带的信息。

科学家通过实验证明了这一点，下一步就是尝试两对纠缠粒子间的量子隐形传态。如果两对纠缠的粒子对中的一个粒子，以特定方式聚集在一起，那么两对中未受干扰的粒子可能会发生纠缠，尽管它们从未相互接触。1998 年，安东·蔡林格的研究小组首次证明了粒子对间纠缠的交换。

纠缠的光子对可以通过光纤以相反的方向传输，并在量子网络中充当信号。两组纠缠粒子对间发生的纠缠，使得扩展量子网络节点之间的距离成为可能。通常，光子在被吸收或失去其量子特性前，能通过光纤传输的距离是有限的。虽然普通的光信号可以通过光纤一路放大，但这不适用于纠缠的光子对。光信号放大器需要捕获和测量光子来实现放大作用，这些操作正破坏了光子对的纠缠。而粒子对间的纠缠交换意味着可以将原始的量子态传输得更远，实现相比其他方式更长的超远距离传输。

两对纠缠的粒子对从不同的来源发射。每对中的一个粒子（图中的2和3）通过一种特殊的方式发生纠缠。由此，另外两个粒子（图中的 1 和 4）也将发生纠缠。这样，两个从未接触过的粒子就能纠缠到一起。

从佯谬到不等式

事实上，这一进展基于多年的研究发展。它始于令人难以置信的发现：量子力学允许将单个量子系统划分为彼此分离，同时仍表现为一个整体的多个单元。

这违背了所有关于因果和现实本质的常见观点。一个系统如何在受到其他地方系统影响的同时，却不受它传递的信号影响？物理规律决定了，信号的传播速度不能超过光速——但在量子力学中，似乎根本不需要信号来连接扩展系统的不同部分。

阿尔伯特·爱因斯坦认为这是不可行的。他和同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）、内森·罗森（Nathan Rosen）一起研究了这种现象。他们在 1935 年提出了他们的推论：量子力学似乎没有提供对现实的完整描述。根据研究人员的姓名首字母，这个推论被称为 EPR 佯谬。

问题是，是否可以对世界进行更完整的描述，而量子力学只是其中的一部分。例如一种解释方法是，粒子总是携带了一些隐藏的信息，这些信息表明它们将显示什么样的实验结果。以此推测，所有测量行为都包含了测量发生位置的信息。这种类型的信息通常称为局域隐变量。

在欧洲核子研究中心（CERN）工作的北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 (John Stewart Bell，1928-1990) 仔细研究了这个问题。他发现有一种实验可以验证世界是否完全符合量子力学规律，或者是否可以有另一种带有隐变量的描述。如果这个实验重复多次，所有隐变量相关的理论都显示出结果之间的相关性必须低于或至多等于某个特定值，也就是贝尔不等式。

然而，量子力学可以违反这个不等式，也就是结果之间的相关性可以大于特定值。

1960年代，约翰·克劳泽还是一名学生时，他就对量子力学的基础知识产生了兴趣。当他读到了约翰·贝尔的想法后，他忍不住不停地思考这种方法的可能性。最终，他和其他三名研究人员提出了一个可以在现实中实现的实验，来测试贝尔不等式。

该实验涉及向相反方向发送一对纠缠粒子。在实践中，使用了具有偏振特性的光子。当粒子被发射时，极化方向是不确定的，唯一可以确定的是粒子具有平行极化。

利用允许通过特定方向偏振光的滤光片，就可以研究光子的偏振特性。许多太阳镜中就用到了这种滤光片，它可以阻挡在某个平面上被偏振的光，例如水反射的光就包含了偏振光。

如果实验中的两个粒子都被发送到平行放置的滤光片，比如两个垂直放置的滤光片，如果一个粒子能够通过——那么另一个也会通过。而如果两个滤光片彼此成直角，那么其中一个粒子会被阻挡，而另一个将通过。关键在于，使用以不同倾角放置的滤光片进行测量时，结果可能会有所不同：有时两个粒子都能通过，有时只有一个，有时没有。两个粒子同时通过滤光片的概率取决于滤光片之间的角度。

量子力学导致了测量结果之间的相关性。一个粒子通过滤光片的可能性，取决于另一个粒子在进行实验时滤光片设置的角度。这意味着，在某些角度时，两个测量结果的相关性将违反贝尔不等式。而如果结果由隐变量控制，那么在粒子发射时就已经能预先确定，结果间也会具有更强的相关性。

被违反的不等式

约翰·克劳泽立即开始实验。他建造了一个装置，一次发射两个纠缠光子，每个都打向检测偏振的滤光片。1972年，他与博士生斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一个明显违反贝尔不等式的结果，并与量子力学的预测一致。

在接下来的几年里，约翰·克劳泽和其他物理学家继续讨论这个实验及其局限性。局限之一是，该实验在制备和捕获粒子方面效率低下。而且由于测量是预先设置好的，滤光片的角度是固定的，因此存在漏洞，观察者可以质疑：如果实验装置碰巧以某种方式选择了具有强相关性的粒子，而没有检测到其他粒子，该怎么办？如果是这样，粒子仍然可能携带隐藏的信息。

这个特殊的漏洞难以消除，因为纠缠在一起的量子态是如此脆弱，难以管理。因此有必要处理单个光子。当时还在法国读博的阿兰·阿斯佩没有被困难吓倒，他建立了一个新版的实验，并迭代改进了几次。在他的实验中，他可以记录下哪些光子通过了滤光片、哪些没有。这意味着有更多光子被检测到了，测量效果更好。

在他最终版本的测试中，他还能够将光子引导到两个角度不同的滤光片。这种策略是一种机制，可以在纠缠光子对被制备后，改变它的方向。滤光片只有六米远，因此改变需要在几个十亿分之一秒的时间内完成。如果关于光子将到达哪个滤光片的信息会影响它从光源发射的方式，那么它就不会到达该滤光片。关于实验另一侧的滤光片的信息也不能到达另一侧并影响那里的测量结果。

阿兰·阿斯佩通过这种方式补上了一个重要的漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，不存在隐变量。

量子信息时代

这些实验以及类似的实验为当前对量子信息科学的深入研究奠定了基础。

能够操纵和管理量子态及其所有属性使我们能够实现一种工具，而后者具有我们预料之外的潜力。这是量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法的基础。现在，具有两个以上粒子的系统（所有粒子都纠缠在一起）正在进入实际应用，安东·蔡林格和他的同事们是第一个探索的。

约翰·克劳泽使用了钙原子。他用一种特殊的光照射钙原子之后，可以发射纠缠光子。他在两侧用滤光片测量光子的偏振。经过一系列测量，他证明它们违反了贝尔不等式。

阿兰·阿斯佩开发了这个实验，通过一种新的激发原子的方法，使它们以更高的速率发射纠缠光子。他还可以在不同的设置之间切换，这样系统就不会包含任何可能影响结果的预先信息。

安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多测试。他通过将激光照射在特殊晶体上来制备纠缠光子对，并使用随机数切换测量设置。一项实验使用来自遥远星系的信号来控制滤光片并确保信号不会相互影响。

这些日趋完善的工具让我们离实际应用更近了。现在已经证明，通过数十千米光纤发送的光子之间，以及卫星和地面站的光子之间都能建立纠缠态。在很短的时间内，世界各地的研究人员发现了许多利用量子力学最强大特性的新方法。

第一次量子革命给了我们晶体管和激光，但由于可以操纵纠缠量子系统的现代工具，我们现在正在进入一个新时代。