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北京时间10月4日下午5点45分，物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·克劳泽（John F. Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger），一同被瑞典皇家科学院授予了 2022 年度诺贝尔物理学奖，以表彰他们“通过光子纠缠的一系列实验，打破了贝尔不等式的限制，并开创了量子信息的研究领域”。
这三位顶级科学家中，阿兰·阿斯佩来自法国，目前任教于巴黎-萨克雷大学和巴黎综合理工学院；约翰·克劳泽来自美国，目前就职于自己在湾区核桃溪市创办的一家公司；安东·塞林格是奥地利维也纳大学的一名教授。他们三人将平分 1000 万瑞典克朗（约合人民币 650 万元）的奖金。
那么，量子纠缠指的是什么？贝尔不等式的意义何在？三位诺奖得主分别做出了什么贡献？本文将用通俗语言尝试回答这些问题。
关于量子纠缠与 EPR 佯谬
“量子纠缠（Quantum Entanglement）”这一术语最早由埃尔温·薛定谔提出，他称之为量子力学最重要的特征。用物理的语言来说，对于一个处于纠缠态的多粒子系统，其量子态函数不能分解成各个部分的量子态的乘积。通俗的讲，量子纠缠指的是在空间上分开的两个或多个粒子，由于某种相互作用，使得各个粒子所拥有的信息或物理性质成为了整体特性而无法分离。
举例来说，单个电子随机地具有两种可能的自旋模式，即所谓的“向上”或“向下”，而处于纠缠态的电子对（例如氦原子核外的电子），无法做到只测量其中一个电子的自旋而不影响另一个，即单个电子的量子态无法从整体中剥离而不造成其他影响。
图 | 两粒子的量子纠缠概念图（来源：诺贝尔官网）
根据量子理论，当观测者对纠缠态的电子进行实验测量时，如果其中一个电子的测量结果（随机地）呈现自旋向上，那么另一个电子立刻变成（确定地）自旋向下，即使没有人在测量它，反之亦然。而且这个现象跟两个电子的距离无关！换句话说，即使两个电子分别位于银河系的两端，只要测量了其中一个的自旋，另一个的自旋状态就确定了，即一个实验的结果可以立刻影响另一个的结果。
但问题是，一个电子如何瞬间获知遥远的另一个电子的自旋状态，从而选择让自身的自旋保持相反呢？他们之间是否能够通过某种超距作用（即传播速度无穷大的相互作用）传递信息？如果承认这种“幽灵般的”超距作用的存在，就违背了狭义相对论的时空观。这就是著名的 EPR 佯谬（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox）核心思想所在。
爱因斯坦等人试图利用该佯谬否定量子力学的完备性，进而提出了一种称为隐变量理论的量子力学的替代描述，其基本思想是：量子体系中存在某种隐藏变量，实验观测的结果能够由该隐藏变量决定，而非量子力学描述的那样随机出现。
关于贝尔不等式和验证实验
量子力学提出，纠缠态量子体系中的各部分在实验测量之前不存在确定的可观测性质，而隐变量理论指出，存在某种隐藏属性使得我们可以在实验测量之前就确定测量结果。双方争执不下，谁也说服不了谁，直到贝尔不等式的出现。
图 | 量子理论与隐变量理论的区别示意图（来源：诺贝尔官网）
约翰·贝尔基于隐变量理论，于 1964 年提出了后来以他名字命名的著名不等式。该不等式指出，对于任意的定域实在理论（编者注：所谓的“定域实在”可以理解为，一个微观粒子只在空间局部具备其物理特性并决定任意测量操作的实验结果），粒子间的某种相关函数的值不会超过一个固定上限。贝尔提出了一个可以验证该不等式的思想实验，并且证明了量子理论一定会违反这个不等式。
接下来就轮到今年三位诺奖得主之一的约翰·克劳泽出场了。
由于贝尔考虑实验时对探测器采取的一些假设很难得到验证，因此他提出的原始思想实验并不适合进行实际测试。直到1969年，克劳泽及其合作者对贝尔不等式进行了改进，使得其容易进行实验验证，并提出了一种实验装置（示意图如下图）。
图 | 克劳泽提出的贝尔不等式验证实验示意图（来源：诺贝尔官网）
在该实验中，光源 S 持续产生向相反方向传播的、处于偏振纠缠态的光子对，Alice 和 Bob（编者注：这两个名字广泛用于量子信息领域，指代两个观测者）分别利用特定的探测器观测光子的偏振态，并统计得到观测结果的关联函数。克劳泽发现，实验结果超过了贝尔不等式给出的关联函数的上限，因而该实验是对隐变量理论的否定。
然而，克劳泽的实验装置存在所谓的“定域性漏洞”，无法排除Alice和Bob之间存在信息交流的可能。这也给了阿兰·阿斯佩（即今年第二位物理诺奖得主）大显身手的余地。
1982 年，阿斯佩等人改进了克劳泽的贝尔不等式验证实验，区别在于新的实验装置能够更频繁的发射纠缠光子对，并且偏振测量装置可以在实验中随机调整，因而部分地修补了定域性漏洞。他们发现，该实验结果仍然违反贝尔不等式。
在 1998 年和 2015 年，安东·塞林格团队进一步完善了贝尔定理实验，先是彻底消除了定域性漏洞（因为阿斯佩的实验装置仍然无法排除 Alice 和 Bob 距离太近造成的关联），而后实现了无漏洞的贝尔不等式实验，其结果均与量子力学的预测一致，为隐变量理论和量子理论之争画下了句号。
此后多年，塞林格团队利用纠缠态的光子进行了更多实验，并且还利用量子纠缠特性展示了“量子隐形传态”和“量子纠缠交换”等奇特现象。在“纠缠交换”实验中，塞林格团队发现，在两对不相关的纠缠态粒子对中，如下图中的 1-2 和 3-4，如果能让 2 与 3 纠缠，则1与4也会自发处于纠缠态。
图 | 量子纠缠交换现象的示意图（来源：诺贝尔官网）
塞林格通过一系列的这些实验，从原理上验证了对量子态进行传输的可能性，开创了量子信息这一学科领域。
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发表于 2022-10-8 16:12:58
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