2022 年 10 月 4 日北京时间 17 时 45 分许
2022 年诺贝尔物理学奖颁给了
阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）
约翰·弗朗西斯 · 克劳泽（John F. Clauser）
安东·塞林格（Anton Zeilinger）
表彰他们“用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不等式，开创量子信息科学”。
纠缠如何成为一种强大的工具
阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格利用突破性的实验，证明了研究和控制处于纠缠状态的粒子的潜力。发生在纠缠对中的一个粒子上的事情会决定发生在另一个粒子上的事情，即使它们的距离远到无法彼此相互作用。获奖者们对实验工具的开发为量子技术的新时代奠定了基础。
量子力学的基本原理不只是一个理论问题或哲学问题。为了利用单个粒子系统的特殊属性来构建量子计算机、改进测量、建立量子网络和建立安全的量子加密通信，目前人们正在进行大量的研究和开发。
许多应用都依赖于量子力学如何允许两个或更多的粒子以共享态存在，而不管它们相距多远。这就是所谓的纠缠，自从量子力学理论被提出以来，它一直是量子力学中争论最多的内容之一。阿尔伯特 ·爱因斯坦谈到了鬼魅般的超距作用并且埃尔温·薛定谔说这是量子力学最重要的特征。
今年的获奖者对这些纠缠的量子态进行了探索，他们的实验为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。
与日常经验相去甚远
当两个粒子处于纠缠的量子态时，某人对一个粒子的属性进行测量可以立即决定对另一个粒子进行同等测量的结果，而不需要通过检查另一个粒子来验证。
将粒子等价于球的话，量子力学的特殊之处在于，球在被测量之前没有确定的状态。就好比两个球都是灰色的，直到有人观测其中一个球为止。然后，它可以随机并唯一地显示出黑色或者白色。而另一个球会立即变成相反的颜色。
但是，人们怎么可能知道这些球在开始时并不是每个都有固定的颜色呢？即使它们看起来是灰色的，也许它们内部有一个隐藏的标签，标明当有人对它们进行观测时，它们应该变成哪种颜色。
如果没有人观测，颜色还会存在吗？
量子纠缠对可以比作一台向相反方向抛出不同颜色的球的机器。当鲍勃（图中右边小人）接住一个球看到它是黑色的，那么他立即就知道爱丽丝（图中左边小人）接住了一个白色的。在一个使用隐变量的理论中，这些球一直存着颜色的隐藏信息。然而，量子力学说，这些球是灰色的，直到有人看着它们时，其中一个随机变成白色，另一个变成黑色。贝尔不等式表明，有一些实验可以区分这些情况，从而证明量子力学的描述是正确的。
今年的诺贝尔物理学奖所奖励的研究的一个重要部分是一种对被称为贝尔不等式的理论见解。贝尔不等式使我们有可能区分量子力学的不确定性和使用秘密指令或 隐变量的替代描述。实验表明，自然界的行为正如量子力学所预测的那样。球是灰色的，没有秘密的信息，在实验中，几率决定了哪些球变成黑色，哪些变成白色。
量子力学中最重要的资源
纠缠的量子态有潜力为存储、传输和处理信息提供新的方式。
如果纠缠对中的粒子沿相反的方向行进，其中一个粒子以这样的方式与第三个粒子相遇，使它们变得纠缠在一起，就会发生有趣的事情。然后它们进入一个新的共享状态。第三个粒子失去了它的特性，但它原来的属性现在已经从原来的一对中转移到了单独的粒子。这种将未知的量子态从一个粒子转移到另一个粒子的方式被称为 量子隐形传态。这种类型的实验是由 安东·塞林格和他的同事在1997年首次进行的。
值得注意的是，量子隐形传态是将量子信息从一个系统毫无损失地转移到另一个系统的唯一方法。绝对不可能测量一个量子系统的所有属性，然后将信息发送给一个想要重建该系统的接收者。这是因为一个量子系统可以同时包含每个属性的几个版本，其中每个版本在测量中都有一定的概率出现。一旦进行了测量，就只剩下一个版本，即由测量仪器读取的版本。而其他的版本已经消失了，我们再也无从获取关于这些版本的信息。然而，完全未知的量子特性可以通过量子隐形传态来转移，并完整地出现在另一个粒子中，但代价是它们在原粒子中被破坏。一旦在实验中证明了这一点，下一步就是使用两对纠缠的粒子。如果从两对粒子中各取一个并以一种特殊的方式聚集在一起，那么每对粒子中剩余的未受干扰的粒子间就会产生纠缠，尽管它们从未相互接触过。这种纠缠互换在1998年由 安东·塞林格的研究小组首次展示。
光子（即光的粒子）的纠缠对，可以通过光纤以相反的方向发送，并在量子网络中作为信号发挥作用。两对光子之间的纠缠使得在这样一个网络中延长节点之间的距离成为可能。在光子被吸收或失去其特性之前，它们通过光纤发送的距离是有限制的。普通的光信号可以在途中被放大，但这对纠缠对不起作用。放大器必须捕获并测量光，而这就打破了纠缠。然而，纠缠互换意味着有可能进一步发送原始状态，从而将其转移到比原来更远的距离。
纠缠的量子态有潜力为存储、传输和处理信息提供新的方式。
从未碰面但纠缠的粒子
两对纠缠的粒子从不同的来源发射过来。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式被纠缠在一起。然后另外两个粒子（图中的1和4）也被纠缠起来。通过这种方式，两个从未接触过的粒子可以成为纠缠的对象。
从悖论到不等式
这一进展建立在多年的发展之上。它始于令人难以置信的洞察力，即量子力学允许一个单一的量子系统被分割成相互分离的部分，但它们仍然表现地如一个单一的单元。
这违背了所有关于因果关系和现实性质的通常想法。如果没有来自其他地方的某种形式的信号，一个东西怎么可能被发生的事件所影响？信号的传播速度不可能超过光速--但在量子力学中，似乎没有必要用信号来连接一个扩展系统的不同部分。
阿尔伯特·爱因斯坦认为这是不可行的，并与他的同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）一起研究这一现象。他们在1935年提出了他们的推理：量子力学似乎没有提供对现实的完整描述。这被称为EPR悖论，以研究人员的名字缩写命名。
问题是，是否可以有一个对世界的更完整的描述，而量子力学只是其中的一部分。例如，这可以通过粒子总是携带关于它们将显示为何种实验结果的隐藏信息来发挥作用。然后，所有的测量结果都会显示存在于测量地点的确切属性。这种类型的信息通常被称为局部隐变量。
在欧洲粒子物理实验室（CERN）工作的北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）（1928-1990）对这个问题进行了仔细研究。他发现，有一种实验可以确定世界是否是纯粹的量子力学，或者是否可能存在另一种带有隐变量的描述。如果他的实验重复多次，所有带有隐变量的理论都会显示出结果之间的相关性，这种相关性必须低于或最多等于一个特定值。这就是所谓的贝尔不等式。
然而，量子力学可以违反这个不等式。它预测的结果之间的关联比通过隐变量理论所预测的要高。
约翰·克劳泽在20世纪60年代作为一名学生对量子力学的基本原理产生了兴趣。他一读到约翰·贝尔的想法就无法动摇，最终，他和其他三位研究人员提出了一个可以用来检验贝尔不等式的实际可行的实验方案。
该实验涉及向相反方向发送一对纠缠的粒子。在实际操作中，使用了光子一种叫做偏振性质。当粒子被发射出去时，偏振的方向是不确定的。所有可以确定的是粒子都具有平行偏振。这可以用一个过滤器来研究，该过滤器允许通过特定朝向的偏振（见 贝尔不等式实验）。这就是许多太阳镜所使用的效果，它可以阻挡在某一平面上被偏振的光线，例如通过水的反射。
如果实验中的两个粒子被送向相互平行的过滤器，比如都是竖直的，其中一个滑过，那么另一个也会通过。如果过滤器彼此垂直，一个将被阻止，而另一个将通过。诀窍是设置不同倾斜角度的过滤器并进行测量，因为这样结果会有所不同：有时两个都通过，有时只有一个，有时一个都没有。两个粒子通过过滤器的频率取决于过滤器之间的角度。
量子力学导致了测量之间的关联性。虽然一个粒子得到的可能性取决于在实验装置另一侧用于检验其伙伴偏振的过滤器的角度。这意味着，两个测量的结果，在某些角度上违反了贝尔不等式，而且比起那些受隐变量支配的结果，以及在粒子发射时已经预先确定的结果，具有更强的相关性。
违背不等式
约翰·克劳泽立即开始着手进行这一实验。他建造了一个仪器，一次发射两个纠缠在一起的光子，每个光子都发射向一个测试其偏振的过滤器。1972年，他与博士生斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）（1944-2012）一起，展示了一个明显违反贝尔不等式的结果，并与量子力学的预测一致。
在随后的几年里，约翰·克劳泽和其他物理学家继续讨论该实验及其局限性。其中一点是，该实验在产生和捕捉粒子方面普遍存在不科学的地方。测量也是预先设定好的，过滤器的角度也是固定的。因此会存在漏洞，观察者以此可以质疑结果：如果实验装置以某种方式选择了碰巧有强烈相关性的粒子，而没有检测到其他粒子，那会怎样？如果是这样，这些粒子可能仍然携带着隐藏的信息。
消除这个特殊的漏洞是很困难的，因为纠缠在一起的量子态是如此脆弱和难以管理；有必要处理单个光子。法国博士生 阿兰·阿斯佩没有被吓倒，他建立了一个新版本的装置，并在几次反复中进行了完善。在他的实验中，他可以登记通过过滤器的光子和那些没有通过的光子。这意味着更多的光子被检测到，测量结果也更好。
在他测试的最后一个变体中，他还能够将光子引向两个不同角度的过滤器。一种策略是在纠缠的光子产生并从其源头发出后再切换它们的方向。滤波器只相距六米，所以切换需要在几十亿分之一秒内发生。如果关于光子将到达哪个过滤器的信息影响了它从源头发射的方式，那么它就不会到达那个过滤器了。实验中一侧的滤光器的信息也不可能到达另一侧并影响那里的测量结果。
用这种方法， 阿兰·阿斯佩就弥补了一个重要的漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，不存在隐变量。
量子信息时代
这些或类似的实验为目前激烈的量子信息科学的研究奠定了基础。
能够操纵和管理量子态及其所有层次的性质，使我们能够获得具有意想不到的有潜力的工具。这就是量子计算、量子信息的传输和存储以及量子加密算法的基础。具有两个以上粒子的系统，所有这些粒子都是纠缠在一起的，现在已经实际运用了，而 安东·塞林格和他的同事是第一个探索这个系统的人。
贝尔不等式的实验
约翰·克劳泽使用了钙原子，在他用一种特殊的光照亮它们之后，钙原子可以发射出纠缠的光子。他在两边设置了一个过滤器来测量光子的偏振。经过一系列的测量，他能够证明它们违反了贝尔不等式。
阿兰·阿斯佩开发了这个实验，其中使用一种新的方式来刺激原子，使它们以更高的速率发射纠缠光子。他还可以在不同的设置之间实现切换，因此该系统不会包含任何可能影响结果的预先信息。
安东·塞林格后来对贝尔不等式进行了更多测试。他通过将激光照射在一个特殊的晶体上创造了纠缠的光子对，让测量设定使用随机数并在之间进行转换。一个实验是使用了来自遥远星系的信号来控制过滤器，并确保信号不能相互影响。
这些日益完善的工具把应用推向了现实。纠缠的量子态现在已经在数十公里的光纤发送的光子之间，在卫星和地面站点之间得到了证明。很快，世界各地的研究人员已经找到了许多新的方法来利用量子力学最强大的特性。
第一次量子革命给我们带来了晶体管和激光器，得益于当代操纵纠缠粒子系统的工具，我们现在正进入一个新的时代。
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翻译：诺奖小分队
原文：https://www.nobelprize.org
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