2022年诺贝尔物理学奖量⼦纠缠态详细解读

如何跨越理论与实践之间的鸿沟一直是人类发展史上的难题，解题过程通常要耗费人类上百年的时间和精力，甚至付出许多科学家的生命，比如日心说、比如达伽马发现好望角。

现代以来科学技术革命迎来了日新月异的发展，然而超前的重大理论依然需要等待科学家“灵光一闪”的时刻才能瓜熟蒂落应用于实际。爱因斯坦早在1905年就已经提出质能方程，然而这一理论的应用直到46年之后，人类才学会用原子制造核电站。

量子力学，这个宇宙中最神秘的理论，在哲学层面讨论了数百年。如今终于被现实世界的物理实验揭开了它神秘的面纱。

2022诺贝尔物理学奖

北京时间10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2022 年诺贝尔物理学奖授予了法国科学家阿兰·阿斯百科特（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳塞（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）。

诺贝尔奖官方给出了他们的颁奖理由：“因为他们进行的纠缠光子实验，打破了贝尔不等式，从而在量子信息领域取得了开创性的成就”。

图片来自：诺贝尔官网

对于⾮物理专业的⼈⽽⾔，纠缠光⼦、⻉尔不等式、量⼦信息领域这些概念仿佛是“天书”⼀般，不过没有关系，因为这些抽象的概念对于物理专业从业者来说也不是容易解释的事情。

科普量子纠缠态

很多小伙伴可能从社交媒体听到过这样⼀些概念：“遇事不决，量⼦⼒学”、“薛定谔养了⼀只不知死活的猫”，在这些戏⾔背后隐藏的正是当今物理学界讨论的热点话题：量⼦纠缠态(Entangled Quantum State)。

⽤学术化的语⾔来解释⼀下这个概念：当两个粒⼦处于量⼦纠缠态时，某⼈测量完⼀个粒⼦的属性后即可⽴⻢确定另⼀个粒⼦的属性，⽽不需要再单独测量。

为了便于理解，我们可以想象这样⼀个实验：⼀个⿊球被送到⼀个⽅向，⼀个⽩球被送到相反⽅向。观察者抓到⼀个球，看到它是⽩⾊的，就可以⽴即说，朝另⼀个⽅向移动的球是⿊⾊的。

以爱因斯坦为⾸的物理学家认为，这些球⼀定包含着某种显示颜⾊的隐藏信息，只不过我们在测量之前并不知道⽽已。然⽽量⼦⼒学说，这些球本来是灰⾊的，直到有⼈看着它们时，其中⼀个就会随机变成⽩⾊，⽽另⼀个会变成⿊⾊。

上图中是物理学界对于这⼀问题提出的两种假设：

隐藏变量理论（Hidden Variables）

量⼦⼒学（Quantum Mechanics）

⻓期以来，这两种解释在理论层⾯甚⾄哲学层⾯⼀直被众多顶级物理学家所争论。直到20世纪60年代，⼀位天才物理学家从数学⻆度提出了⼀个可以裁决两个理论正误的不等式。

1John Stewart Bell

英国物理学家John Stewart Bell （约翰·⻉尔）于1964年提出了以他名字命名的数学不等式：如果存在隐藏信息，⼤量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。

（John Stewart Bell，1928-1990）

（贝尔不等式）

然⽽，量⼦⼒学预⾔，某种类型的实验结果将违反⻉尔不等式，从⽽导致更强的相关性。因此，⻉尔不等式变成了⼀个裁判，能够说明到底是哪⼀种解释更符合实验结果。

2John Clauser

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John Clauser（2022年诺⻉尔物理学奖三剑客之⼀）在⻉尔的想法之上，设计了⼀个可操作的实验。当他进⾏测量时，明确的结果直接违反⻉尔不等式。这意味着纠缠态不能被⼀个使⽤隐藏变量的理论所解释。

3Alain Aspect

但是John Clauser的实验仍然存在⼀些漏洞。于是Alain Aspect开发了⼀个可以弥补其重要漏洞的装置，能够在纠缠粒⼦离开其源头后切换测量设置，导致发射时的设置不会影响最终结果。

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4Anton Zeilinger

Anton Zeilinger在前⾯两⼈的基础上，利⽤更精炼的⼯具和⻓系列的实验，开始使⽤纠缠的量⼦态。

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他的研究⼩组证明了⼀种叫做量⼦传送（Quantum Teleportation）的现象，使量⼦态从⼀个粒⼦移动到很远之外的另⼀个粒⼦成为可能，这意味着⼈类可能开启“超光速通讯”的⼤⻔。

量子新纪元

与前几届诺贝尔物理学奖不同的是，今年的诺贝尔奖颁发给了进行实验工作的三位物理学家，这让世界的理论物理学者们精神一振。

图片来自：诺贝尔官网

回溯物理学史上的几次里程碑的事件，除了学界早期在哲学层面上对于“量子纠缠态”的讨论，贝尔的实验也推动了 “第二次量子革命 ”的发展。

在贝尔实验的基础上，今年的两位获奖者John Clauser 和Alain Aspect让物理学界看到了纠缠的重要性，并提供了在更加复杂和令人难以置信的情况下创建、处理和测量纠缠态的技术，他们也因揭开了物理学界新的篇章而受到表彰。

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第三位获奖者Anton Zeilinger的实验对纠缠态的创新使用做出了突出贡献，他的工作使得纠缠态在好奇心驱动的基础研究中和量子密码学等领域的应用都产生了新的火花。

今年获得诺奖的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路，它赋予了人类能够操纵和管理量子态及其所有层次的属性，使我们能够获得意想不到的工具。这就是量子计算、量子信息的传输和存储以及量子加密算法的基础。

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上世纪发生的第一次量子革命给我们带来了晶体管和激光，人类从此摆脱了笔头计算，开始拥有电子计算机甚至超级计算机的算力，小到手机芯片大到航空航天等精密仪器，人类近几十年的科技发展都离不开第一次量子革命的技术变革。

而即将到来的第二次量子革命又能给人类带来什么跨越式的发展？进入21世纪，好奇的人类不再像前几个世纪一样徘徊在信息技术的殿堂之外，现在的我们正站在量子新纪元的台阶上，缓缓推开进化和未知世界的大门。