Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 憑借對(duì)糾纏粒子的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)獲得了 2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
左起：約翰·克勞瑟（John Clauser）、安東·策林格（Anton Zeilinger）和阿蘭·阿斯佩克特（Alain Aspect）
作者：Charlie Wood 2022-10-4
譯者：zzllrr小樂(lè) 2022-10-5
物理學(xué)家 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 因證明極其奇怪的量子現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)而獲得了 2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的實(shí)驗(yàn)共同確定了一種稱(chēng)為糾纏（entanglement）的奇異量子現(xiàn)象的存在性，其中兩個(gè)相隔很遠(yuǎn)的粒子似乎共享信息，盡管沒(méi)有可以想象的通信方式。
糾纏是 1930 年代物理學(xué)巨頭阿爾伯特·愛(ài)因斯坦與尼爾斯·玻爾和歐文·薛定諤之間關(guān)于宇宙如何在基本層面上運(yùn)行的激烈沖突的核心。愛(ài)因斯坦相信現(xiàn)實(shí)的所有方面都應(yīng)該有一個(gè)具體的、完全可知的存在。所有物體——從月亮到光子——都應(yīng)該具有可以通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)的精確定義的屬性。然而，玻爾、薛定諤和其他新興量子力學(xué)的支持者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)似乎從根本上是不確定的。直到測(cè)量的那一剎那，粒子才具有某些屬性。
糾纏成為區(qū)分這兩種可能的現(xiàn)實(shí)版本的決定性方式。物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一個(gè)決定性的思想實(shí)驗(yàn)，后來(lái)被阿斯派克特和克勞瑟以各種實(shí)驗(yàn)形式實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)工作證明薛定諤是對(duì)的。量子力學(xué)是宇宙的操作系統(tǒng)。
諾貝爾委員會(huì)成員托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）在 1935 年引用薛定諤的話說(shuō)：“我不會(huì)把糾纏稱(chēng)為'一種’，而說(shuō)糾纏'就是’量子力學(xué)的特性。Clauser 和 Aspect 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)讓物理學(xué)界對(duì)薛定諤的陳述大開(kāi)眼界獲得深入了解，并提供了用于創(chuàng)建、操縱和測(cè)量盡管相距甚遠(yuǎn)但糾纏在一起的粒子狀態(tài)的工具?！?/p>
除了打破范式的哲學(xué)含義外，糾纏現(xiàn)在還準(zhǔn)備為新興的量子技術(shù)浪潮提供動(dòng)力。Zeilinger 一直處于該領(lǐng)域的最前沿，開(kāi)發(fā)利用糾纏技術(shù)實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)、隱形傳態(tài)和密碼學(xué)的驚人壯舉。
“量子信息科學(xué)是一個(gè)充滿活力且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。它在安全信息傳輸、量子計(jì)算和傳感技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的潛在影響，”委員會(huì)的另一位成員 Eva Olsson 說(shuō)?！八念A(yù)測(cè)打開(kāi)了通往另一個(gè)世界的大門(mén)，它也動(dòng)搖了我們解釋測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)。”
什么是量子糾纏（quantum entanglement）？
當(dāng)兩個(gè)粒子一起形成一個(gè)量子系統(tǒng)時(shí)，無(wú)論它們之間的距離如何，它們都會(huì)糾纏在一起。
要理解這種量子連接，請(qǐng)考慮兩個(gè)電子。電子具有稱(chēng)為自旋的量子特性，當(dāng)被測(cè)量時(shí)，它可以取兩個(gè)值之一，稱(chēng)為“向上”或“向下”。測(cè)量每個(gè)電子的自旋就像扔硬幣一樣：它會(huì)隨機(jī)向上或向下。
現(xiàn)在想象一下，兩個(gè)物理學(xué)家，阿蘭和約翰，每個(gè)人都收到了一系列的硬幣。當(dāng)每對(duì)硬幣到達(dá)時(shí)，物理學(xué)家同時(shí)翻轉(zhuǎn)它們。阿蘭可能會(huì)得到正面、反面、反面、正面、反面的序列。約翰可能會(huì)得到正面、正面、反面、反面、反面。阿蘭和約翰擲硬幣的結(jié)果彼此無(wú)關(guān)。
但如果他們用一系列糾纏電子而不是硬幣重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們會(huì)得到一個(gè)奇怪的結(jié)果：每次阿蘭測(cè)量一個(gè)自旋的電子時(shí)，約翰都會(huì)發(fā)現(xiàn)這對(duì)電子中相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)出現(xiàn)自旋——下，反之亦然。這兩種測(cè)量行為是相互關(guān)聯(lián)的，就好像拋一枚硬幣可以發(fā)出一個(gè)信號(hào)，在測(cè)量的精確時(shí)刻立即確保其遠(yuǎn)方伙伴的正確結(jié)果。
愛(ài)因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和內(nèi)森·羅森在一篇現(xiàn)已錯(cuò)得著名的 1935 年論文中首次描述了量子糾纏。這種被愛(ài)因斯坦輕蔑地稱(chēng)為“幽靈般的超距作用”的現(xiàn)象是新生的量子力學(xué)理論不可避免的結(jié)果。愛(ài)因斯坦懷疑糾纏會(huì)為量子力學(xué)敲響喪鐘，因?yàn)樗坪踹`背了相對(duì)論的中心原則——沒(méi)有任何信息的傳播速度可以超過(guò)光速。任何一個(gè)電子的測(cè)量都不能立即影響某個(gè)遙遠(yuǎn)地方的測(cè)量。
然而，他們的論文將為徹底重新思考現(xiàn)實(shí)和全新的研究領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。
如何測(cè)量糾纏？
到 1930 年代，很明顯，玻爾、薛定諤和其他量子先驅(qū)者正在做一件事。該理論比任何其他理論更準(zhǔn)確地描述了原子和亞原子粒子的實(shí)驗(yàn)。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是人們可以信任它到什么程度。
例如，愛(ài)因斯坦希望這個(gè)奇異的理論只是通往更完整的圖景的墊腳石，這圖景將在哲學(xué)上與經(jīng)典物理學(xué)保持一致。他懷疑兩個(gè)糾纏的電子發(fā)生了相反的自旋，因?yàn)橐恍半[藏變量”導(dǎo)致它們的自旋首先指向相反的方向。換句話說(shuō)，在量子力學(xué)中看似隨機(jī)的測(cè)量結(jié)果實(shí)際上是一些尚未得到認(rèn)可的確定性描述的結(jié)果，這些描述在粒子之間創(chuàng)造了一種虛幻的聯(lián)系。
1964 年，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了一項(xiàng)可以解決爭(zhēng)論的實(shí)驗(yàn)。細(xì)節(jié)相當(dāng)復(fù)雜，但總體思路是讓兩位物理學(xué)家測(cè)量糾纏粒子沿不同軸的自旋：不僅向上和向下，而且有時(shí)隨機(jī)左右或其他方向。如果愛(ài)因斯坦是對(duì)的，并且粒子一直秘密地具有預(yù)定的自旋，那么切換測(cè)量軸的行為應(yīng)該對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響。貝爾計(jì)算出，如果宇宙真的是量子力學(xué)的，并且糾纏看起來(lái)就像幽靈一樣，那么軸切換將導(dǎo)致相關(guān)自旋測(cè)量的頻率高于相對(duì)論等經(jīng)典理論中可能發(fā)生的情況。
“約翰·貝爾將哲學(xué)辯論轉(zhuǎn)化為科學(xué)，并提供了可測(cè)試的預(yù)測(cè)，從而啟動(dòng)了實(shí)驗(yàn)工作，”奧爾森說(shuō)。
誰(shuí)進(jìn)行了貝爾的實(shí)驗(yàn)？
勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的約翰·克勞瑟和研究生斯圖爾特·弗里德曼是第一個(gè)將貝爾的實(shí)驗(yàn)從頁(yè)面帶入實(shí)驗(yàn)室的人?？藙谏庾R(shí)到，如果該實(shí)驗(yàn)不涉及旋轉(zhuǎn)電子，而是涉及偏振光子——光粒子，那么該實(shí)驗(yàn)將更加可行。與電子的自旋方向一樣，光子的極化可以取兩個(gè)相對(duì)于濾光片方向的值之一。例如，偏光太陽(yáng)鏡會(huì)阻擋以一種方式偏振的光子，而讓以另一種方式偏振的光子進(jìn)入。
最初，包括理查德·費(fèi)曼在內(nèi)的物理學(xué)家不鼓勵(lì)克勞瑟繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為量子力學(xué)不需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明。但是貝爾親自鼓勵(lì)克勞瑟完成這項(xiàng)研究，并在 1972 年克勞瑟和弗里德曼成功地實(shí)現(xiàn)了貝爾的實(shí)驗(yàn)。他們產(chǎn)生了成對(duì)的糾纏光子，并使用透鏡來(lái)測(cè)量它們的偏振方向。不確定他會(huì)發(fā)現(xiàn)什么，克勞瑟賭了 2美元，賭他的實(shí)驗(yàn)會(huì)證明愛(ài)因斯坦是對(duì)的。令他驚訝的是，他的結(jié)果證明了貝爾的預(yù)測(cè)是正確的，而愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)是錯(cuò)誤的。光子的狀態(tài)似乎以一種排除任何隱變量理論的方式相關(guān)?？藙谏?shù)舻馁€注是量子力學(xué)的巨大勝利。
“看到我自己的實(shí)驗(yàn)證明愛(ài)因斯坦是錯(cuò)誤的，我感到非常難過(guò)，”他在多年后的一次采訪中說(shuō)。
但是克勞瑟的證據(jù)仍然不是鐵板釘釘?shù)摹Ｋ膶?shí)驗(yàn)使用了透鏡的固定方向，從而存在漏洞：如果協(xié)調(diào)光子偏振的隱藏變量以某種方式依賴(lài)于透鏡的實(shí)驗(yàn)定位，那么愛(ài)因斯坦可能是正確的。
進(jìn)入阿蘭方面。他在巴黎進(jìn)行了一系列越來(lái)越嚴(yán)格的貝爾測(cè)試，最終在1982 年進(jìn)行了一項(xiàng)極其復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。在該測(cè)試中，在光子從發(fā)射器飛到透鏡所消耗的十億分之一秒內(nèi)，透鏡的方向會(huì)隨機(jī)改變。鏡片。通過(guò)這種方式，初始鏡頭配置被刪除，并且不會(huì)影響在發(fā)射時(shí)設(shè)置偏振的任何秘密過(guò)程。再一次，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有利于貝爾和量子力學(xué)。
只剩下最微小的漏洞。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)是否有以某種方式啟動(dòng)的秘密且非隨機(jī)的過(guò)程確定鏡片如何更新？安東·策林格在維也納大學(xué)的研究進(jìn)一步縮小了這個(gè)剩余的疑點(diǎn)。在2017 年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)利用數(shù)百年前遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光子顏色來(lái)確定實(shí)驗(yàn)的設(shè)置。如果某種宇宙陰謀造成了糾纏的錯(cuò)覺(jué)，那么它必須在實(shí)驗(yàn)者出生前幾個(gè)世紀(jì)就開(kāi)始了。
一些物理學(xué)家仍然提出維持愛(ài)因斯坦夢(mèng)想的理論。例如，超決定論認(rèn)為，宇宙命運(yùn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，包括每一個(gè)粒子的自旋和極化，都完全固定在大爆炸時(shí)——在恒星（或策林格的宇宙貝爾測(cè)試）形成之前。
但大多數(shù)研究人員都從表面上看待 貝爾、克勞瑟、阿斯佩克特、策林格和他們的團(tuán)隊(duì)的工作。糾纏就是看起來(lái)的樣子：這對(duì)粒子是一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的粒子，直到測(cè)量的那一刻，自旋和極化等屬性才真正被定義。換句話說(shuō)，在你測(cè)量它之前，現(xiàn)實(shí)沒(méi)有固定的和預(yù)先確定的狀態(tài)。這是一個(gè)戲劇性的結(jié)論，大多數(shù)研究人員接受但仍難以完全掌握。
“一個(gè)非常基本的問(wèn)題——這在基本方面意味著什么？- 沒(méi)有答案，并且是新研究的途徑，“策林格說(shuō)。
糾纏有什么用？
自從愛(ài)因斯坦試圖通過(guò)強(qiáng)調(diào)糾纏的荒謬性來(lái)扼殺量子力學(xué)以來(lái)的近 90 年里，這種現(xiàn)象已不僅僅是哲學(xué)辯論的素材。它是推動(dòng)量子信息科學(xué)蓬勃發(fā)展的主要引擎之一。
“物理學(xué)家現(xiàn)在開(kāi)始理解糾纏和貝爾對(duì) [是] 一種量子資源，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)驚人的新事物，”漢森說(shuō)。
策林格是領(lǐng)導(dǎo)以糾纏技術(shù)創(chuàng)造技術(shù)奇跡的核心人物之一。1997 年，他和他的同事率先完成了一項(xiàng)稱(chēng)為量子隱形傳態(tài)的壯舉，該技術(shù)使用對(duì)糾纏粒子的精確測(cè)量協(xié)議將一個(gè)粒子的極化方向轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子，而研究人員從未得知轉(zhuǎn)移的極化方向。該技術(shù)可能會(huì)在量子計(jì)算中發(fā)揮關(guān)鍵作用?！斑@不像星際迷航電影或其他任何東西，將某些東西——當(dāng)然不是一個(gè)人——運(yùn)送到一定距離，”策林格在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上通過(guò)電話說(shuō)?！瓣P(guān)鍵是，使用糾纏，你可以將一個(gè)物體攜帶的所有信息轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方，可以說(shuō)，這個(gè)物體是被重組的?！?/p>
策林格還開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為糾纏交換的程序，涉及發(fā)射兩個(gè)糾纏的貝爾對(duì)，總共四個(gè)粒子。當(dāng)對(duì)兩個(gè)未糾纏的粒子執(zhí)行特定測(cè)量時(shí)，其余兩個(gè)會(huì)相互糾纏。以這種方式在粒子之間交換糾纏可以幫助連接量子通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。在1998 年具有里程碑意義的出版物中 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.80.3891 ，策林格 和他的合作者展示了在從未相互接觸的光子之間交換糾纏的能力。
近年來(lái)，此類(lèi)技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界。策林格的前學(xué)生潘建偉領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)中國(guó)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)于 2016 年發(fā)射了一顆名為“墨子號(hào)”的衛(wèi)星。墨子號(hào)向相隔 1000 多公里的中國(guó)實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了成對(duì)的光子。該小組的測(cè)量結(jié)果證明，糾纏在旅途中幸存下來(lái)。潘的小組后來(lái)與奧地利的 策林格小組合作，在歐亞大陸上分布成對(duì)的糾纏粒子。這種長(zhǎng)距離糾纏分發(fā)了一個(gè)秘密信息，即所謂的量子密鑰，任何攔截信息的嘗試都會(huì)破壞該信息。該演示為基本上牢不可破的密碼學(xué)鋪平了道路，這將由經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的量子力學(xué)基礎(chǔ)來(lái)保證。
近年來(lái)誰(shuí)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)？
去年（2021年），Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann 因其對(duì)氣候變化影響的可靠預(yù)測(cè)所做的工作而獲獎(jiǎng)；他們與 Giorgio Parisi 分享了諾貝爾獎(jiǎng)，后者對(duì)混沌物理系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的研究。
2020年，Roger Penrose（彭羅斯也是數(shù)學(xué)家，zzllrr小樂(lè)譯注）、Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 因?qū)诙吹难芯慷@獎(jiǎng)。
2019年，諾貝爾獎(jiǎng)的一半授予天文學(xué)家 Michel Mayor 和 Didier Queloz，因?yàn)樗麄冊(cè)?995 年發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞附近恒星運(yùn)行的類(lèi)木星行星，另一半授予了宇宙學(xué)家 James Peebles 探索宇宙結(jié)構(gòu)的工作。
2018年，三位激光物理學(xué)家獲此殊榮：亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因發(fā)明“光鑷”而獲得半數(shù)獎(jiǎng)金，熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）因在超短激光脈沖方面的工作而獲獎(jiǎng)。
2017年，諾貝爾獎(jiǎng)授予了美國(guó)物理學(xué)家 Rainer Weiss、Kip Thorne 和 Barry Barish，他們是證實(shí)引力波存在的實(shí)驗(yàn)的三位建筑師。
原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/pioneering-quantum-physicists-win-nobel-prize-in-physics-20221004/
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