證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了！諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給量子糾纏

楊凈 Pine 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

剛剛，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉！

今年的物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C向量子糾纏的三位科學(xué)家，他們分別是阿蘭·阿斯佩Alain Aspect，約翰·克勞澤John F. Clauser以及安東·塞林格Anton Zeilinger，以表彰他們用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了貝爾不等式不成立，并以此開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)。

換言之，他們成功證明了愛(ài)因斯坦是錯(cuò)的。

他們?nèi)藢⒐蚕?000萬(wàn)瑞典克朗的獎(jiǎng)金。值得一提的是，其中塞林格還是潘建偉院士的博士導(dǎo)師。

證明了愛(ài)因斯坦是錯(cuò)的

官方評(píng)價(jià)中提到，他們的實(shí)驗(yàn)為當(dāng)下量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)，真正推動(dòng)量子信息從理論走向了應(yīng)用。

這其中最關(guān)鍵的貢獻(xiàn)就是用量子糾纏實(shí)驗(yàn)，證明了貝爾不等式不成立。

量子糾纏，就是在兩個(gè)分隔的粒子或者多個(gè)粒子，在彼此相互作用時(shí)，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)。

最早在1935年，就有人發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，其中就包括愛(ài)因斯坦。薛定諤也發(fā)表了幾篇相關(guān)論文，還定下了量子糾纏這一術(shù)語(yǔ)。

但這種行為被愛(ài)因斯坦抨擊為違背定域?qū)嵲谡摚⒆I諷量子糾纏為“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）還曾說(shuō)：“我相信上帝不擲骰子。他表示，量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)表述不具完備性。

上世紀(jì)60年代，貝爾提出論文表明，對(duì)于愛(ài)因斯坦的定域?qū)嵲谡摫旧泶嬖诿?，相反量子力學(xué)得到的關(guān)聯(lián)結(jié)果要強(qiáng)很多。與此同時(shí)，還提出了貝爾不等式，將這種差別定性。

在經(jīng)典力學(xué)中，這個(gè)不等式成立，而在量子力學(xué)中這個(gè)等式就不成立。它可以應(yīng)用于任何由兩個(gè)相互糾纏的粒子所組成的量子系統(tǒng)。最常見(jiàn)的范例是糾纏于自旋或偏振的粒子系統(tǒng)。

從那之后，物理學(xué)家們做了很多檢試貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。這其中，約翰克勞澤與他的同事在1972年率先完成了這一實(shí)驗(yàn)，他通過(guò)將激光照射在特殊晶體上來(lái)創(chuàng)建糾纏的光子對(duì)，并使用隨機(jī)數(shù)在測(cè)量設(shè)置之間切換。

△圖源：? Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

不過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)仍存在一定的局限性，比如在產(chǎn)生和捕獲粒子方面效率低下，測(cè)量也是預(yù)設(shè)的。其他研究者也質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否存在一定的漏洞。

但十年之后，也就是1982年，當(dāng)時(shí)在讀博士的阿蘭阿斯佩成功彌補(bǔ)了這一局限性，博士論文就是以這一實(shí)驗(yàn)為題目，他檢測(cè)到了更多的光子以及測(cè)量結(jié)果也很好，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合量子力學(xué)的預(yù)測(cè)。

換言之明確證明，量子力學(xué)是正確的，并沒(méi)有像愛(ài)因斯坦所說(shuō)有隱藏的變量。

如果說(shuō)，前兩位科學(xué)家是證明了量子力學(xué)的理論性，那么安東·塞林格則是真正將量子力學(xué)從理論推向應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)糾纏的量子態(tài)具有存儲(chǔ)、傳輸和處理信息的潛力。

1997年塞林格及其同事首次發(fā)現(xiàn)，如果糾纏對(duì)中的粒子以相反的方向行進(jìn)并且其中一個(gè)粒子以這樣的方式遇到第三個(gè)粒子，它們就會(huì)發(fā)生糾纏，就會(huì)發(fā)生有趣的事情，即進(jìn)入到一個(gè)新的共享狀態(tài)，第三個(gè)粒子會(huì)失去它的身份。

這種將未知量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子的方式稱為量子隱形傳態(tài)。

還有一位是潘建偉院士導(dǎo)師

其實(shí)這三位大佬在獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之前，就曾一起獲得過(guò)沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)（2010年）——被認(rèn)為是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之外，物理學(xué)界最重要的獎(jiǎng)項(xiàng)之一。

還是按照慣例，盤點(diǎn)一下這三位大佬的過(guò)往成績(jī)。

阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）是法國(guó)物理學(xué)家，因研究“量子糾纏”而聞名。

除了研究貝爾不等式之外，Aspect還研究中性原子的激光冷卻，主要參與玻色-愛(ài)因斯坦凝聚相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

目前Aspect是法國(guó)科學(xué)院和技術(shù)學(xué)院的成員，也是巴黎綜合理工學(xué)院的教授。

繼2010年獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)之后，2013年獲得尼爾斯·玻爾國(guó)際金獎(jiǎng)和聯(lián)合國(guó)教科文組織尼爾·玻爾獎(jiǎng)，同年還被還被授予量子信息處理和通信的巴爾贊獎(jiǎng)。

值得一提的是，在Aspect的過(guò)往研究履歷中，有著諸多的第一：

第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)證明中排除測(cè)量站之間的亞光速通信，證明量子力學(xué)使可分離隱變量理論無(wú)效；第一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明單光子的波粒二象性；第一個(gè)比較了相同條件下費(fèi)米子和玻色子的漢伯里布朗-特維斯相關(guān)性；第一個(gè)證明了超冷原子系統(tǒng)中的安德森局域化。

約翰·克勞瑟 （John Clauser）是美國(guó)理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，1964年，他獲得了加州理工學(xué)院的物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1969年獲得哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。

1969年至1996年，他主要在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校工作。

克勞瑟最廣為人知的事項(xiàng)就是對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)，他的CHSH預(yù)測(cè)和弗里德曼-克勞澤實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為量子力學(xué)中非常重要的部分，目前已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)物理課程（本科）的一部分。

在外界看來(lái)，他的理論之于量子力學(xué)，就相當(dāng)于邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)之于狹義相對(duì)論。

安東·塞林格 （Anton Zeilinger）是奧地利量子論物理學(xué)家。目前是維也納大學(xué)物理學(xué)教授，曾任教于因斯布魯克大學(xué)，此外，他還是奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所維也納分所主席。

值得一提的是，塞林格還是中國(guó)科學(xué)院外籍院士，同時(shí)也是潘建偉院士的博士導(dǎo)師。

塞林格教授積極推動(dòng)中奧國(guó)際學(xué)術(shù)交流與合作。自1983年起，他與中國(guó)科學(xué)院以及中國(guó)工程院等機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期保持著溝通和交流，并與多家單位建立密切合作關(guān)系。

其中，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，他的團(tuán)隊(duì)合作參與了中科院主導(dǎo)的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)，成果入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的2018年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展。

此外，塞林格對(duì)人才教育上還頗有興趣。在2009年，他創(chuàng)立了國(guó)際學(xué)院 Traunkirchen，致力于支持科學(xué)和技術(shù)方面的天才學(xué)生。

（插句題外話）塞林格還是道格拉斯·亞當(dāng)斯（ouglas Adams）的《銀河系漫游指南》的粉絲，他甚至把自己的帆船命名為42號(hào)。

參考鏈接：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/

— 完 —

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