Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 凭借对纠缠粒子的开创性实验获得了 2022 年诺贝尔物理学奖。
左起：约翰·克劳瑟（John Clauser）、安东·策林格（Anton Zeilinger）和阿兰·阿斯佩克特（Alain Aspect）
作者：Charlie Wood 2022-10-4
译者：zzllrr小乐 2022-10-5
物理学家 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 因证明极其奇怪的量子现实本质的实验而获得了 2022 年诺贝尔物理学奖。他们的实验共同确定了一种称为纠缠（entanglement）的奇异量子现象的存在性，其中两个相隔很远的粒子似乎共享信息，尽管没有可以想象的通信方式。
纠缠是 1930 年代物理学巨头阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔和欧文·薛定谔之间关于宇宙如何在基本层面上运行的激烈冲突的核心。爱因斯坦相信现实的所有方面都应该有一个具体的、完全可知的存在。所有物体——从月亮到光子——都应该具有可以通过测量发现的精确定义的属性。然而，玻尔、薛定谔和其他新兴量子力学的支持者发现现实似乎从根本上是不确定的。直到测量的那一刹那，粒子才具有某些属性。
纠缠成为区分这两种可能的现实版本的决定性方式。物理学家约翰·贝尔提出了一个决定性的思想实验，后来被阿斯派克特和克劳瑟以各种实验形式实现。这项工作证明薛定谔是对的。量子力学是宇宙的操作系统。
诺贝尔委员会成员托尔斯·汉斯·汉森（Thors Hans Hansson）在 1935 年引用薛定谔的话说：“我不会把纠缠称为'一种’，而说纠缠'就是’量子力学的特性。Clauser 和 Aspect 进行的实验让物理学界对薛定谔的陈述大开眼界获得深入了解，并提供了用于创建、操纵和测量尽管相距甚远但纠缠在一起的粒子状态的工具。”
除了打破范式的哲学含义外，纠缠现在还准备为新兴的量子技术浪潮提供动力。Zeilinger 一直处于该领域的最前沿，开发利用纠缠技术实现量子网络、隐形传态和密码学的惊人壮举。
“量子信息科学是一个充满活力且发展迅速的领域。它在安全信息传输、量子计算和传感技术等领域具有广泛的潜在影响，”委员会的另一位成员 Eva Olsson 说。“它的预测打开了通往另一个世界的大门，它也动摇了我们解释测量结果的基础。”
什么是量子纠缠（quantum entanglement）？
当两个粒子一起形成一个量子系统时，无论它们之间的距离如何，它们都会纠缠在一起。
要理解这种量子连接，请考虑两个电子。电子具有称为自旋的量子特性，当被测量时，它可以取两个值之一，称为“向上”或“向下”。测量每个电子的自旋就像扔硬币一样：它会随机向上或向下。
现在想象一下，两个物理学家，阿兰和约翰，每个人都收到了一系列的硬币。当每对硬币到达时，物理学家同时翻转它们。阿兰可能会得到正面、反面、反面、正面、反面的序列。约翰可能会得到正面、正面、反面、反面、反面。阿兰和约翰掷硬币的结果彼此无关。
但如果他们用一系列纠缠电子而不是硬币重复这个实验，他们会得到一个奇怪的结果：每次阿兰测量一个自旋的电子时，约翰都会发现这对电子中相对应的另一个出现自旋——下，反之亦然。这两种测量行为是相互关联的，就好像抛一枚硬币可以发出一个信号，在测量的精确时刻立即确保其远方伙伴的正确结果。
爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森在一篇现已错得著名的 1935 年论文中首次描述了量子纠缠。这种被爱因斯坦轻蔑地称为“幽灵般的超距作用”的现象是新生的量子力学理论不可避免的结果。爱因斯坦怀疑纠缠会为量子力学敲响丧钟，因为它似乎违背了相对论的中心原则——没有任何信息的传播速度可以超过光速。任何一个电子的测量都不能立即影响某个遥远地方的测量。
然而，他们的论文将为彻底重新思考现实和全新的研究领域奠定基础。
如何测量纠缠？
到 1930 年代，很明显，玻尔、薛定谔和其他量子先驱者正在做一件事。该理论比任何其他理论更准确地描述了原子和亚原子粒子的实验。争论的焦点是人们可以信任它到什么程度。
例如，爱因斯坦希望这个奇异的理论只是通往更完整的图景的垫脚石，这图景将在哲学上与经典物理学保持一致。他怀疑两个纠缠的电子发生了相反的自旋，因为一些“隐藏变量”导致它们的自旋首先指向相反的方向。换句话说，在量子力学中看似随机的测量结果实际上是一些尚未得到认可的确定性描述的结果，这些描述在粒子之间创造了一种虚幻的联系。
1964 年，约翰·斯图尔特·贝尔提出了一项可以解决争论的实验。细节相当复杂，但总体思路是让两位物理学家测量纠缠粒子沿不同轴的自旋：不仅向上和向下，而且有时随机左右或其他方向。如果爱因斯坦是对的，并且粒子一直秘密地具有预定的自旋，那么切换测量轴的行为应该对结果没有影响。贝尔计算出，如果宇宙真的是量子力学的，并且纠缠看起来就像幽灵一样，那么轴切换将导致相关自旋测量的频率高于相对论等经典理论中可能发生的情况。
“约翰·贝尔将哲学辩论转化为科学，并提供了可测试的预测，从而启动了实验工作，”奥尔森说。
谁进行了贝尔的实验？
劳伦斯·伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的约翰·克劳瑟和研究生斯图尔特·弗里德曼是第一个将贝尔的实验从页面带入实验室的人。克劳瑟意识到，如果该实验不涉及旋转电子，而是涉及偏振光子——光粒子，那么该实验将更加可行。与电子的自旋方向一样，光子的极化可以取两个相对于滤光片方向的值之一。例如，偏光太阳镜会阻挡以一种方式偏振的光子，而让以另一种方式偏振的光子进入。
最初，包括理查德·费曼在内的物理学家不鼓励克劳瑟继续进行这项实验，认为量子力学不需要进一步的实验证明。但是贝尔亲自鼓励克劳瑟完成这项研究，并在 1972 年克劳瑟和弗里德曼成功地实现了贝尔的实验。他们产生了成对的纠缠光子，并使用透镜来测量它们的偏振方向。不确定他会发现什么，克劳瑟赌了 2美元，赌他的实验会证明爱因斯坦是对的。令他惊讶的是，他的结果证明了贝尔的预测是正确的，而爱因斯坦的预测是错误的。光子的状态似乎以一种排除任何隐变量理论的方式相关。克劳瑟输掉的赌注是量子力学的巨大胜利。
“看到我自己的实验证明爱因斯坦是错误的，我感到非常难过，”他在多年后的一次采访中说。
但是克劳瑟的证据仍然不是铁板钉钉的。他的实验使用了透镜的固定方向，从而存在漏洞：如果协调光子偏振的隐藏变量以某种方式依赖于透镜的实验定位，那么爱因斯坦可能是正确的。
进入阿兰方面。他在巴黎进行了一系列越来越严格的贝尔测试，最终在1982 年进行了一项极其复杂的实验。在该测试中，在光子从发射器飞到透镜所消耗的十亿分之一秒内，透镜的方向会随机改变。镜片。通过这种方式，初始镜头配置被删除，并且不会影响在发射时设置偏振的任何秘密过程。再一次，实验发现有利于贝尔和量子力学。
只剩下最微小的漏洞。在实验开始时是否有以某种方式启动的秘密且非随机的过程确定镜片如何更新？安东·策林格在维也纳大学的研究进一步缩小了这个剩余的疑点。在2017 年的一项实验中，他领导了一个团队，该团队利用数百年前遥远恒星发出的光子颜色来确定实验的设置。如果某种宇宙阴谋造成了纠缠的错觉，那么它必须在实验者出生前几个世纪就开始了。
一些物理学家仍然提出维持爱因斯坦梦想的理论。例如，超决定论认为，宇宙命运的每一个细节，包括每一个粒子的自旋和极化，都完全固定在大爆炸时——在恒星（或策林格的宇宙贝尔测试）形成之前。
但大多数研究人员都从表面上看待 贝尔、克劳瑟、阿斯佩克特、策林格和他们的团队的工作。纠缠就是看起来的样子：这对粒子是一个统一的系统。对于每个单独的粒子，直到测量的那一刻，自旋和极化等属性才真正被定义。换句话说，在你测量它之前，现实没有固定的和预先确定的状态。这是一个戏剧性的结论，大多数研究人员接受但仍难以完全掌握。
“一个非常基本的问题——这在基本方面意味着什么？- 没有答案，并且是新研究的途径，“策林格说。
纠缠有什么用？
自从爱因斯坦试图通过强调纠缠的荒谬性来扼杀量子力学以来的近 90 年里，这种现象已不仅仅是哲学辩论的素材。它是推动量子信息科学蓬勃发展的主要引擎之一。
“物理学家现在开始理解纠缠和贝尔对 [是] 一种量子资源，可以用来实现惊人的新事物，”汉森说。
策林格是领导以纠缠技术创造技术奇迹的核心人物之一。1997 年，他和他的同事率先完成了一项称为量子隐形传态的壮举，该技术使用对纠缠粒子的精确测量协议将一个粒子的极化方向转移到另一个粒子，而研究人员从未得知转移的极化方向。该技术可能会在量子计算中发挥关键作用。“这不像星际迷航电影或其他任何东西，将某些东西——当然不是一个人——运送到一定距离，”策林格在诺贝尔奖颁奖典礼上通过电话说。“关键是，使用纠缠，你可以将一个物体携带的所有信息转移到另一个地方，可以说，这个物体是被重组的。”
策林格还开发了一种称为纠缠交换的程序，涉及发射两个纠缠的贝尔对，总共四个粒子。当对两个未纠缠的粒子执行特定测量时，其余两个会相互纠缠。以这种方式在粒子之间交换纠缠可以帮助连接量子通信网络中的节点。在1998 年具有里程碑意义的出版物中 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.80.3891 ，策林格 和他的合作者展示了在从未相互接触的光子之间交换纠缠的能力。
近年来，此类技术已走出实验室，进入现实世界。策林格的前学生潘建伟领导了一个中国团队，该团队于 2016 年发射了一颗名为“墨子号”的卫星。墨子号向相隔 1000 多公里的中国实验室发射了成对的光子。该小组的测量结果证明，纠缠在旅途中幸存下来。潘的小组后来与奥地利的 策林格小组合作，在欧亚大陆上分布成对的纠缠粒子。这种长距离纠缠分发了一个秘密信息，即所谓的量子密钥，任何拦截信息的尝试都会破坏该信息。该演示为基本上牢不可破的密码学铺平了道路，这将由经过全面测试的量子力学基础来保证。
近年来谁获得了诺贝尔物理学奖？
去年（2021年），Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann 因其对气候变化影响的可靠预测所做的工作而获奖；他们与 Giorgio Parisi 分享了诺贝尔奖，后者对混沌物理系统进行了开创性的研究。
2020年，Roger Penrose（彭罗斯也是数学家，zzllrr小乐译注）、Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 因对黑洞的研究而获奖。
2019年，诺贝尔奖的一半授予天文学家 Michel Mayor 和 Didier Queloz，因为他们在1995 年发现了一颗围绕附近恒星运行的类木星行星，另一半授予了宇宙学家 James Peebles 探索宇宙结构的工作。
2018年，三位激光物理学家获此殊荣：亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因发明“光镊”而获得半数奖金，热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）因在超短激光脉冲方面的工作而获奖。
2017年，诺贝尔奖授予了美国物理学家 Rainer Weiss、Kip Thorne 和 Barry Barish，他们是证实引力波存在的实验的三位建筑师。
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/pioneering-quantum-physicists-win-nobel-prize-in-physics-20221004/
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