證明愛因斯坦錯了！諾貝爾物理學(xué)獎頒給量子糾纏

證明愛因斯坦錯了！諾貝爾物理學(xué)獎頒給量子糾纏

楊凈 Pine 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

剛剛，2022年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉！

今年的物理學(xué)獎頒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)行實驗，證明了貝爾不等式不成立，并以此開創(chuàng)量子信息科學(xué)。

換言之，他們成功證明了愛因斯坦是錯的。

他們?nèi)藢⒐蚕?000萬瑞典克朗的獎金。值得一提的是，其中塞林格還是潘建偉院士的博士導(dǎo)師。

證明了愛因斯坦是錯的

官方評價中提到，他們的實驗為當(dāng)下量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)，真正推動量子信息從理論走向了應(yīng)用。

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

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

但這種行為被愛因斯坦抨擊為違背定域?qū)嵲谡?，并譏諷量子糾纏為“鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance）還曾說：“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，對于愛因斯坦的定域?qū)嵲谡摫旧泶嬖诿埽喾戳孔恿W(xué)得到的關(guān)聯(lián)結(jié)果要強很多。與此同時，還提出了貝爾不等式，將這種差別定性。

在經(jīng)典力學(xué)中，這個不等式成立，而在量子力學(xué)中這個等式就不成立。它可以應(yīng)用于任何由兩個相互糾纏的粒子所組成的量子系統(tǒng)。最常見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驗。這其中，約翰克勞澤與他的同事在1972年率先完成了這一實驗，他通過將激光照射在特殊晶體上來創(chuàng)建糾纏的光子對，并使用隨機(jī)數(shù)在測量設(shè)置之間切換。

△圖源：? Johan Jarnestad/瑞典皇家科學(xué)院

不過這個實驗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，測量也是預(yù)設(shè)的。其他研究者也質(zhì)疑實驗結(jié)果是否存在一定的漏洞。

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

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

如果說，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、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)，如果糾纏對中的粒子以相反的方向行進(jìn)并且其中一個粒子以這樣的方式遇到第三個粒子，它們就會發(fā)生糾纏，就會發(fā)生有趣的事情，即進(jìn)入到一個新的共享狀態(tài)，第三個粒子會失去它的身份。

這種將未知量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一個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

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

還是按照慣例，盤點一下這三位大佬的過往成績。

阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）是法國物理學(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，主要參與玻色愛因斯坦凝聚相關(guān)實驗。

目前Aspect是法國科學(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)獎之后，2013年獲得尼爾斯·玻爾國際金獎和聯(lián)合國教科文組織尼爾·玻爾獎，同年還被還被授予量子信息處理和通信的巴爾贊獎。

值得一提的是，在Aspect的過往研究履歷中，有著諸多的第一：

第一個在實驗證明中排除測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效；第一個通過實驗證明單光子的波粒二象性；第一個比較了相同條件下費米子和玻色子的漢伯里布朗特維斯相關(guān)性；第一個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）是美國理論和實驗物理學(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家實驗室、勞倫斯利福摩爾國家實驗室和加州大學(xué)伯克利分校工作。

克勞瑟最廣為人知的事項就是對量子力學(xué)基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)，他的CHSH預(yù)測和弗里德曼克勞澤實驗被認(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，他的理論之于量子力學(xué)，就相當(dāng)于邁克爾遜莫雷實驗之于狹義相對論。

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，塞林格還是中國科學(xué)院外籍院士，同時也是潘建偉院士的博士導(dǎo)師。

塞林格教授積極推動中奧國際學(xué)術(shù)交流與合作。自1983年起，他與中國科學(xué)院以及中國工程院等機(jī)構(gòu)長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”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，他的團(tuán)隊合作參與了中科院主導(dǎo)的洲際量子通信實驗，成果入選美國物理學(xué)會評選的2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)展。

此外，塞林格對人才教育上還頗有興趣。在2009年，他創(chuàng)立了國際學(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。

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

— 完 —

量子位 QbitAI · 頭條號簽約

關(guān)注我們，第一時間獲知前沿科技動態(tài)