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量子力学再登顶,详细解读2022年物理学诺奖

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瑞典当地时间2022年10月4日11时45分(北京时间10月4日17时45分),诺贝尔奖委员会宣布将2022年物理学奖颁给法国物理学家Alain Aspect、美国物理学家John F. Clauser、奥地利物理学家Anton Zeilinger以表彰“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式,开创了量子信息学”。

诺奖委员会在其官方介绍中称,量子力学现在已拥有很广阔的研究领域,包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbäck说:“越来越明显的是,一种新的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者对纠缠态的研究非常重要,甚至超越了解释量子力学的基本问题”。

北京计算科学研究中心教授薛鹏提前猜中了今年的获奖者,她向“返朴”表示,这三位获奖者实至名归。下文是薛教授对今年获奖工作的科普介绍。

撰文 | 薛鹏
在2010年,法国的阿兰·艾斯佩特(Alain Aspect)、美国的约翰·柯罗瑟(John Clauser)、和奥地利的安东·吉林哲(Anton Zeilinger)三位物理学家“因其在量子物理学基础上的基本概念和实验贡献,特别是一系列日益复杂的贝尔不等式测试,而获得沃尔夫奖(Wolf Prize)”。
美国物理联合会旗下科普网站Inside Science于2019,2020,2021连续三年预测该三位物理学家奖获得诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦认为量子纠缠这种超距相互作用是不可思议的,违背了狭义相对论。与其在普林斯顿的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一个思想实验,就是著名的EPR佯谬。描述了A、B为自旋1/2的粒子,初始总自旋为零。假设粒子有两种可能的自旋,分别是 |上> 和 |下>,那么,如果粒子A 的自旋为 |上>,粒子 B 的自旋便一定是 |下>,才能保持总体守恒,反之亦然。这时我们说,这两个粒子构成了量子纠缠态。

两个粒子 A 和 B 朝相反方向飞奔,它们相距越来越远,越来越远……。无论相距多远,它们应该永远是 |上>|下> 关联的。两边分别由观察者 Alice 和 Bob 对两个粒子进行测量。根据量子力学的说法,只要Alice 和Bob 还没有进行测量,每一个粒子都应该处于某种叠加态,比如说,|上>、|下> 各为 50% 概率的叠加态。然后,如果 Alice 对 A 进行测量,A 的叠加态便在一瞬间坍缩了,比如,坍缩成了 |上>。现在,问题就来了:既然 Alice 已经测量到 A 为 |上>,因为守恒的缘故,B 就一定要为 |下>。但是,此时的 A 和 B 之间已经相隔非常遥远,比如说几万光年吧,按照量子力学的理论,B 也应该是|上>和|下>各一半的概率,为什么它能够做到总是选择|下>呢?除非A 粒子和B粒子之间有某种方式及时地“互通消息”?即使假设它们能够互相感知,那也似乎是一种超距瞬时的信号!而这超距作用又是与相对论中光速不可超越相违背。于是,这就构成了佯谬。

处在纠缠态的两个粒子之间的关联性,与粒子之间的距离无关;可以同时测量,也可延迟测量,即超光速的;与空间环境无关,电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法阻挡它们的关联。

爱因斯坦这一方认为这种现象是绝不会出现的,把这种现象称为幽灵般的超距作用,问题源于“量子力学是不完备的”。

而玻尔认为量子世界是非局域的,这个超距离作用必定存在,量子力学是完备的。

因此他认为量子力学是不完备的,他希望建立一个更普适的局域实在论理论来弥补量子理论的不足,消除超距作用。作为爱因斯坦思想的继承人,玻姆在1952年在引入了 “隐变量”,在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。下面就是要实验验证究竟是量子力学理论正确且完备还是局域隐变量理论正确且完备。

而贝尔定理的实验验证是一个物理实验,旨在测试量子力学理论与局域隐变量理论哪个正确。1964年,John Bell定义了一个可观测量,并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大

意味着局域隐变量理论是错误的。

贝尔不等式的诞生,宣告了量子力学理论的局域性争议,从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。虽然贝尔作为一个爱因斯坦的追随者,其研究隐变量理论的初衷是要证明量子力学的非局域性有误,可后来所有的实验都表明局域隐变量理论预言有误,而量子理论的预言与实验一致。

1969年,当时还是哥伦比亚大学研究生的John Clauser,和Michael Horne、Abner Shimony和Richard Holt一起,通过现在被称为Clauser - Horn - Shimony - Holt (CHSH)不等式,将贝尔1964年的数学定理转化为一个非常具体的实验预测。

1972年,John Clauser已经是博士后研究员了,他和研究生Stuart Freedman第一个用实验证明了两个相距很远的粒子可以纠缠在一起。John Clauser继续进行了另外三个实验,以测试量子力学和纠缠的基础,每个新的实验都证实和扩展了他的结果。Freedman–Clauser实验是对CHSH不等式的第一个检验,它已经在世界各地的实验室进行了数百次的实验测试,以证实量子纠缠的真实性。因存在定域性漏洞,即纠缠的粒子之间距离太小,不足以说明纠缠的非局域性,结果不具有说服力。

1982年,Alan Aspect等人在巴黎第十一大学改进Clauser和Freedman贝尔定理实验,利用在钙离子级联辐射出的光子对之间的偏振态的纠缠,实验结果违反贝尔定理。
1998年,Anton Zeilinger等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验,彻底排除定域性漏洞,实验结果具有决定性。

随后,多年来大家还是通过各种各样的纠缠例子对,验证Bell不等式,是因为之前实验存在的不完美和漏洞。例如局域性漏洞,探测漏洞。所谓局域性漏洞就是指纠缠粒子之间的关联的相应时间超越光速,比如对一个粒子探测得到结果,另外一个粒子的结果也就瞬间得到,但是如果两个粒子之间距离不够长,不足以证明通过光速传播的时间是远远长于实验上得到另一个光子结果的时间。就存在局域性漏洞。而探测器漏洞则是,因为探测器效率不是100%,所以可以理解为探测到的粒子都违背Bell不等式,而没有探测到的粒子是不违背的。
2015年,荷兰Delft技术大学的Ronald Hanson研究组报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。要避免局域性漏洞,只需把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的两个实验室。利用纠缠光子对和纠缠交换技术,他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒,而完成一次实验的时间为4.18微秒,比光通信时间少90纳秒,因此解决了局域性漏洞。此外,色心的测量效率高达96%,测量漏洞也被堵上了。总之,他们声称实现了无漏洞的验证贝尔不等式的实验,在96%的置信度(2.1个标准差)上支持量子理论,从而证伪了局域的隐变量理论。

如果这两个漏洞都被堵上,还有一个漏洞就是自由意志,在实验过程中需要选择测量基,也有人认为测量基的选择收到意识的影响,而产生漏洞。于是就诞生了所谓的大贝尔实验。
2016年,大贝尔实验(the Big Bell Test)展开,并召集到世界各地超过10万名志愿者。在实验中,所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数,在过关游戏中快速随机地按下0或者1,12小时内共持续产生每秒逾1000比特的数据流,全部记录在互联网云端,并被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队,用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验。大贝尔实验相信人类拥有真正的自由意志,通过大量参与者的自由意志,大贝尔实验在更广泛的范围内关闭自由选择漏洞,强烈否定爱因斯坦的定域性原理。

这三位科学家获得诺贝尔物理学奖,实至名归。就像诺贝尔物理学委员会主席说的那样,获奖者对纠缠态的研究已经超越了解释量子力学的基本问题。那就是因为以三位物理学家的研究为基础,量子纠缠已经在很多物理体系中被实验证实并且加以利用。比如在我们实验室中,激光经过非线性晶体,会产生自发参量下转换过程,一个泵浦光子就会分裂成一对光子,满足相位匹配条件。这一对光子就处于某一个特定的纠缠态上。这两个光子无论相距多远,比如一个留在我的实验室,一个用墨子号卫星发送到太空,只要我们测量得知我实验室中的光子的状态,不需要对另外一个在遥远的太空的光子做任何操作,都可以瞬间获知它的状态。

量子纠缠是一种非常重要的物理资源,可以应用于量子保密通信,使我们获得更加安全高效的通信方式,应用于量子计算,使我们拥有经典不可比拟的强大算力的量子计算机,应用于量子精密测量,使我们拥有精度更高的测量方式等等。

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