量子科学和诺贝尔奖的百年纠缠

　　当地时间10月4日中午11时45分，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳泽（John Clauser）、奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在纠缠光子实验、违反贝尔不等式的实验验证和开创量子信息科学方面所作出的贡献。值得一提的是，三位获奖者中，塞林格是潘建伟院士的博士生导师。
　　这是诺贝尔奖首次颁发给量子信息科学。量子信息技术包括量子计算、量子通信和量子精密测量，它们的发展都离不开量子纠缠。
　　量子纠缠是量子力学中一个特殊的现象，指一个量子系统中两个粒子或多个粒子之间存在一种超距关联，无论粒子相隔多远，当测量其中一个粒子时，其它粒子会在瞬间受到影响。
　　量子纠缠的理论自提出以来，一直备受争议，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）称其为＂鬼魅般的超距作用＂，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）则认为这是量子力学最重要的特征。
　　通过开创性的实验，三位学者证明了研究和控制处于量子纠缠态的粒子的潜力，为当下的量子科技革命奠定了基础，并推动了量子信息从理论走向了应用。
　　颠覆人类日常认知
　　当两个粒子处于量子纠缠态时，测量其中一个粒子的属性后，人们便可以立即得出另一个粒子上相应测量的结果，而无需检验。
　　乍一看，这个现象或许并不那么奇怪。我们以小球来举例说明。假设有一黑一白两个球，两个球分别向两个不同的方向运动。当观察者接住了白球，则可以立即判断出另一个方向的球是黑色的。
　　而在量子力学的世界中，小球的＂等价物＂在被测量前并没有确定的状态。可以理解为，两个小球开始都是灰色的，而一旦有人看到其中一个小球，则两个小球中的一个将随机变成黑色或白色，另一个小球则瞬间变为相反的颜色。
　　那么应该如何确定每个小球最初都没有固定的颜色呢？即便它们看起来是灰色的，它们内部是否可能有一个＂隐藏＂的颜色标签，以控制它们被观察到时要变成什么颜色呢？贝尔不等式可以对此问题进行解答。
　　我们将上述＂隐藏＂的秘密标签定义为隐变量。贝尔不等式表明，可以通过实验区分量子力学或者隐变量导致的不确定性——前者会违反这个不等式，而后者不会。今年诺贝尔物理学奖的一个重要部分，便是通过实验证实了量子纠缠态违反贝尔不等式。
　　回到我们关于小球的例子。小球原本都是灰色的，量子几率决定了哪个变成黑色，哪个变成白色，并不存在＂隐藏＂标签。
　　我们将量子力学中的纠缠对类比为一个可以向相反方向抛出相反颜色小球的机器。在隐变量理论中，小球总是包含了关于显示什么颜色的隐藏信息。这种情况下，当Bob接住一个小球并观察到它是黑色的，便可以知道爱丽丝抓住的小球是白色的。而在量子力学中，这些小球都是灰色的，直到被人观察到后，两只小球随机变为一黑一白。贝尔不等式证明了可以通过实验对上述两种情况进行区分，相关的实验也证实了量子力学的描述。
　　量子力学最重要的资源
　　量子纠缠态是量子信息领域的重要资源，具有存储、传输和处理信息的潜力。
　　假设纠缠对中的两个粒子向相反的方向运动，其中一个粒子与第三个粒子相遇并以某种方式纠缠。于是它们进入一种新的共享态。第三个粒子会大变模样，但它最初的性质会被转移到原始纠缠对中的那个孤立粒子上。这种将未知量子态从一个粒子转移到另一个粒子的方法称为量子隐形传态，由塞林格领导的研究团队于1997年首次完成实验验证。
　　值得注意的是，量子隐形传态是将量子信息毫无损失地从一个系统传输到另一个系统的唯一方法。测量一个量子体系的所有性质，再将信息传递给接收者来重建体系是绝对不可能的。这是因为量子体系同时包含每个性质的多个版本，其中每个版本在一次测量中有一定几率出现。当测量实施后，只有一个版本存留，也就是被测量仪器读出的那个。其它的都已消失，从而完全不可知。然而，完全未知的量子性质可以通过量子隐形传态进行传递，并在另一个粒子上完整地进行还原，但代价是这些性质在原来的粒子上被销毁。
　　1998年，塞林格课题组使用两对纠缠对的粒子，证明了粒子对间纠缠的交换：假设两对纠缠粒子中，各有一个粒子被聚集在一起，那么剩余的两个未受干扰的粒子可能会发生纠缠，尽管它们从未接触。
　　纠缠的光子对可以在光纤中向相反的方向发送，并在量子网络中传递信号。两组纠缠光子对之间发生纠缠，使得扩展量子网络节点间的距离成为可能。在被吸收或失去量子特性前，光子在光纤中传输的距离是有限的。普通的光信号可以通过光纤进行放大，但这并不适用于纠缠光子对。我们知道，放大器必须经历对光捕获和测量的过程，这无疑打破了量子纠缠。然而，光子对之间的纠缠交换，意味着可以将原始的量子态传输得更远，实现原本不可能达成的超远距离传输。
　　不同来源发射的两对纠缠的粒子对。每对粒子中各有一个粒子（图中的2和3）被聚集在一起发生纠缠，另外两个粒子（图中的1和4）也发生了纠缠。通过这种方式，两个从未接触的粒子之间发生了纠缠。
　　从悖论到不等式
　　经过多年的发展，这一问题得以往前推进。在量子力学中，一个量子系统可以被划分为多个单元，它们彼此分离但同时表现为一个整体。
　　这是一个令人难以置信、与已有认知相违背的观点。一个系统在未接收到发生于某地的事件所传递的信号时，是如何被其影响的？我们知道，信息的传播速度不能超过光速——但在量子力学中，似乎无需通过信息来连接一个系统的不同单元。
　　爱因斯坦认为这是不可能的，并与他的同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）一起研究了这种现象。1935年，他们提出，量子力学似乎无法提供对物理实在的完整描述。这被称为EPR佯谬，由三位研究者姓氏的首字母所命名。
　　问题在于是否存在对于物理世界更完备的描述，而量子力学只是作为其中的一部分。举例说明，粒子携带了一些隐藏的信息，这些信息导致了粒子实验观测的结果。以此类推，所有测量都会显示只在测量实施处存在的性质，这种类型的信息通常被称为局域隐变量。
　　北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）曾在欧洲核子研究中心（CERN）工作，他仔细研究了这个问题。他发现，通过一类实验，可以确定世界是完全按照量子力学规律运行还是可以用隐变量理论描述。如果隐变量理论成立，则多次重复实验结果的相关性必须不大于某个特定的数值，这被称为贝尔不等式。然而量子力学可以违反贝尔不等式，即实验结果间的相关性值高于特定数值。
　　上世纪60年代，当时还是哥伦比亚大学研究生的克劳泽开始对量子力学产生兴趣。在他阅读了贝尔的论文后，对贝尔不等式印象非常深刻，并最终和三位研究人员合作，提出了一种可以在现实中测试贝尔不等式的实验方法。
　　克劳泽等用特殊的光激发钙原子，向相反方向发射出两个纠缠的光子，然后在两端用滤光片测量其偏振情况。当光子被发射时偏振方向是不确定的，唯一确定的是它们的偏振方向相互平行。由此，可以通过滤波器来进行研究，即只能允许特定偏振态的光子通过。这也是很多太阳镜的使用原理，它们可以阻挡某个平面的偏振光，如水面反射的光。
　　当两个滤光片在同一平面内朝向相同时（比如垂直方向），如果一个粒子可以通过滤波器，则另一个也可以通过。如果两个滤光片相互垂直，则一个光子可以通过滤波器，而另一个则被阻拦。通过调整不同方向滤光片倾斜的角度，实验结果也可能会有所不同：两者都通过、只有一个光子通过、两者都没有通过，两个光子都通过的几率则取决于滤光片之间的角度。
　　量子力学导致测量结果之前存在相关性。一个光子通过滤光片的几率，取决于在实验装置中相反侧用于测试另一个光子偏振的滤光片的角度。这意味着，在某些角度时，两次测量结果的相关性违反了贝尔不等式，而且结果较发射粒子时已经确定结果的隐变量理论的相关性更强。
　　违反贝尔不等式
　　克劳泽很快便着手展开了这个实验。他设计并建造了一个实验装置，能够一次同时发射两个纠缠的光子，它们分别朝向一个测试偏振的滤光片。1972年，克劳泽与博士生斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作，首次用实验证明了两个相距很远的粒子可以纠缠在一起，该结果明显违反贝尔不等式，并证实了量子力学的预测。
　　在接下来的几年里，克劳泽和其他物理学家们继续讨论这个实验及其局限性。其中一个问题是，该实验制备和捕获粒子的效率通常较为低下。此外该实验存在定域性漏洞，因为测量是预先设置的，滤波器的角度也是固定的，观察者可能对结果产生质疑：实验装置有可能碰巧选择了具有强关联性的粒子，而没有检测到其他粒子，那么粒子可能仍然携带有隐藏的信息。
　　弥补这个漏洞是非常困难的事情，因为量子纠缠态极其脆弱且难以控制，而实验中又必须处理单个光子。阿斯佩在博士期间进一步发展了克劳泽的实验，他设计了一个新的装置，经过多次改进升级，该装置可以记录通过和未通过滤光片的光子，这意味着阿斯佩的实验能够观测到更多的光子，且测量结果更好。
　　在阿斯佩最终版本的测试中，他已经能够在纠缠粒子离开发射源后，迅速切换它们的方向，将光子引导至两个不同角度的滤光片，确保了粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。
　　通过这种方式，阿斯佩填补了克劳泽实验的漏洞，并提供了一个非常明确的结果，即量子力学是正确的，而隐变量理论是错误的。
　　量子信息时代
　　三位获奖者的成果以及其他相关的实验，为当前量子信息科学的迅速发展奠定了基础。
　　量子信息技术目前的成果，使我们开始具备操控量子态的能力，而相应的工具将具有超乎想象的潜力。操控量子态，也是量子计算、量子通信以及量子加密算法的基础。
　　现在，人们应该开始尝试应用具有两个以上粒子的量子纠缠系统，塞林格和他的同事是最早开始探索的。
　　克劳泽利用钙原子展开实验，钙原子在一种特殊光的光照射后，可以发射纠缠光子。他在装置的两侧放置滤光片，以测量光子的偏振。经过一系列的实验测量，最终证明结果违反了贝尔不等式。
　　阿斯佩进一步发展了克劳泽的实验，他采用了一种新方法激发原子，使它们能够以更高的速率发射纠缠光子。此外，通过切换不同的设置，避免了系统设置对结果的影响。
　　之后，塞林格对贝尔不等式进行了更多的实验测试。他将激光照射在特殊的晶体上，以此制备纠缠光子，并利用随机数来切换测量设置。在一个实验中，塞林格尝试使用遥远星系的信号控制滤光片，以确保系统中的信号之间不会互相影响。
　　这些日益完善的工具，使量子纠缠的应用逐渐变为现实。近几十年间，全球的研究人员在此领域取得了很多突破性成果，新方法不断涌现，量子信息技术发展十分迅速。如量子通信领域，＂墨子号＂等的研究成果，已经充分证明了基于量子纠缠的千公里级、卫星和地面站之间量子密钥分发的可行性。
　　第一次量子革命带来了晶体管和激光，而随着量子纠缠态操纵技术的发展，我们正在进入一个新的时代。
　　正如诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克（Anders Irbäck）所说：＂越来越清楚的是，一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。＂
　　获奖者简介：
　　阿兰·阿斯佩（Alain Aspect） ，物理学家，1947年出生于法国阿根。1983年从法国奥赛巴黎-南德大学获得博士学位。目前为法国巴黎萨克莱大学和帕莱索理工学院教授。
　　约翰·克劳泽（John Clauser） ，理论和实验物理学家，1942年出生于美国加州帕萨迪纳。1969年从美国纽约哥伦比亚大学获得博士学位。
　　安东·塞林格（Anton Zeilinger） ，物理学家，1945年出生于奥地利里德伊姆·因克瑞斯。1971年从奥地利维也纳大学获得博士学位。目前为维也纳大学教授。