諾貝爾獎委員會在其官方介紹中表示，量子力學現在擁有廣泛的研究領域，包括量子計算機、量子網絡和安全量子加密通信。
諾貝爾物理委員會主席伊爾巴克表示：“越來越明顯的是，一種新的量子技術正在出現。我們可以看到，獲獎者對糾纏態的研究非常重要，甚至超出了解釋量子力學的基本問題”。
北京計算科學研究中心教授薛鵬提前猜出了今年的獲獎者。 她告訴《惠譜》，這三位獲獎者是當之無愧的。 以下是薛教授對今年獲獎作品的科普介紹。
撰寫者 | 薛鵬
2010年，法國的阿蘭·埃斯佩特（Alain）、美國的約翰·克羅澤（John ）和奧地利的安東·吉林格（Anton ）三位物理學家“因其在量子物理學方面的工作而獲得認可”。 他因其基本概念和實驗貢獻而被授予沃爾夫獎，特別是一系列日益復雜的貝爾不等式檢驗。
美國物理聯合會科普網站預測，這三位物理學家將在2019年、2020年、2021年連續三年獲得諾貝爾物理學獎。
愛因斯坦認為，量子糾纏是一種遠距離相互作用，是令人難以置信的，并且違反了狹義相對論。 相反，他在普林斯頓大學的助手鮑里斯和羅森提出了一個思想實驗，這就是著名的 EPR 悖論。 描述A和B是自旋為1/2的粒子，初始總自旋為零。 假設粒子有兩種可能的自旋，即 |up> 和 |down>。 那么，如果粒子 A 的自旋為 |up>，則粒子 B 的自旋必定為 |down>，這樣才能保持整體守恒。 反之亦然。 這時我們說這兩個粒子構成了量子糾纏態。
兩個粒子 A 和 B 朝相反方向飛行。 他們的距離越來越遠了……無論距離有多遠，他們總應該是|上>|下>相關的。 這兩個粒子由兩側的觀察者愛麗絲和鮑勃進行測量。 根據量子力學，只要Alice和Bob沒有進行測量諾貝爾物理學獎2023量子糾纏的意義，每個粒子就應該處于某種疊加態。 例如，|upper>和|lower>分別是概率為50%的疊加狀態。 那么，如果Alice測量A，A的疊加狀態瞬間崩潰，例如崩潰成|UP>。 現在，問題出現了：既然 Alice 將 A 測量為 |upper>，由于守恒，B 必定為 |lower>。 然而，此時A和B之間的距離已經很遠了，比如說幾萬光年。 根據量子力學理論，B也應該有一半|upper>和一半|lower>的概率。 為什么它能做到這一點？ 總是選擇|下一步>？ 除非有某種方法可以在粒子A和粒子B之間及時“交換消息”？ 即使假設它們可以相互感知，這似乎也是遠距離的瞬時信號！ 而這種遠距離作用，與相對論認為光速無法被超越的理論是相悖的。 所以，這就構成了一個悖論。
處于糾纏態的兩個粒子之間的相關性與粒子之間的距離無關； 可以同時測量，也可以延遲測量，即超光速測量； 它與太空環境無關，不能被電磁屏蔽、重力屏蔽等它們的關聯所阻擋。
愛因斯坦認為這種現象永遠不會發生，并將其稱為幽靈般的超距作用。 問題源于“量子力學是不完備的”。
玻爾認為，量子世界是非定域的，這種遠距離作用必定存在，并且量子力學是完備的。
因此，他認為量子力學是不完備的，他希望建立一種更加普遍的局域實在論理論來彌補量子理論的缺陷，消除遠距離效應。 作為愛因斯坦思想的繼承人，玻姆于1952年引入了“隱變量”，并形成了基于局部實在論的完全決定性的理論——局部隱變量理論。 下面是通過實驗來驗證量子力學理論是否正確完整或者局部隱變量理論是否正確完整。
貝爾定理的實驗驗證是為了檢驗量子力學理論或局部隱變量理論是否正確而設計的物理實驗。 1964年，約翰·貝爾定義了一個可觀測量，并預測基于局部隱變量理論的測量值會很小。
這意味著局部隱變量理論是錯誤的。
貝爾不等式的誕生宣告了量子力學理論的局部爭議，將其從純粹的哲學推測轉變為可以通過實驗證偽的科學理論。 盡管貝爾作為愛因斯坦的追隨者，他研究隱變量理論的初衷是為了證明量子力學的非定域性是錯誤的，但隨后的所有實驗都表明，局域隱變量理論的預測是錯誤的，量子力學的非定域性是錯誤的。理論預測與實驗相符。
1969 年，當時是哥倫比亞大學研究生的約翰與霍恩、阿布納和霍爾特一起，通過現在稱為霍恩-霍爾特 (CHSH) 不等式，將貝爾 1964 年的數學定理轉化為非常具體的實驗預測。
1972年，約翰已經是一名博士后研究員。 他和他的研究生是第一個通過實驗證明兩個相距較遠的粒子可以糾纏的人。 約翰繼續進行了三個實驗來測試量子力學和糾纏的基礎諾貝爾物理學獎2023量子糾纏的意義，每個新實驗都證實并擴展了他的結果。 – 該實驗是對 CHSH 不等式的首次測試，該不等式已在世界各地的實驗室進行了數百次測試，以證實量子糾纏的現實。 由于存在局域性漏洞，即糾纏粒子之間的距離太小，無法解釋糾纏的非局域性，因此結果并不令人信服。
1982 年，艾倫等人。 改進了巴黎十一大學的貝爾定理實驗，利用了鈣離子級聯輻射的光子對之間偏振態的糾纏。 實驗結果違反了貝爾定理。
1998年，安東等人在奧地利因斯布魯克大學完成了貝爾定理實驗，徹底消除了定位漏洞，實驗結果是確鑿的。
隨后這些年，大家因為之前實驗的不完善和漏洞，通過各種成對糾纏的例子來驗證貝爾不等式。 例如，本地漏洞和檢測漏洞。 所謂局域漏洞是指糾纏粒子之間的相關性對應時間超過了光速。 例如，如果檢測到一個粒子并獲得結果，則同時獲得另一粒子的結果。 然而，如果兩個粒子之間的距離不夠長，那就不夠了。 實驗證明，光以光速傳播所需的時間比得到另一個光子結果所需的時間要長得多。 存在局部漏洞。 探測器的漏洞在于，因為探測器效率不是100%，所以可以理解為所有探測到的粒子都違反貝爾不等式，而未探測到的粒子則不違反貝爾不等式。
2015年，荷蘭代爾夫特理工大學的一個研究小組報告了他們完成的實驗，以驗證鉆石色心系統中的貝爾不等式。 為了避免局部漏洞，只需將兩個鉆石色心放置在相距 1.3 公里的兩個實驗室中即可。 利用糾纏光子對和糾纏交換技術，他們實現了鉆石色心電子之間的糾纏。 兩個色心之間直接光通信所需的時間約為4.27微秒，完成一次實驗的時間為4.18微秒，比光通信時間少了90納秒，從而解決了局部脆弱性。 此外，色心測量效率高達96%，測量漏洞也被堵塞。 簡而言之，他們聲稱實現了驗證貝爾不等式的完美實驗，以96%的置信度（2.1個標準差）支持量子理論，從而證偽了局部隱變量理論。
如果這兩個漏洞被堵住了，那么還有一個漏洞就是自由意志。 實驗過程中需要選擇測量基準。 有人認為，測量基準的選擇是受意識影響的，這就產生了漏洞。 于是，所謂的大鐘實驗誕生了。
2016年，大鐘測試啟動，并在全球招募了超過10萬名志愿者。 實驗中，要求所有志愿者根據個人自由意志不斷做出選擇，形成二進制隨機數，并在益智游戲中快速隨機按下0或1，在時間內不斷產生每秒1000比特以上的數據流。 12小時。 ，全部記錄在互聯網云端，并實時隨機分發給分布在世界各地的相關研究團隊，以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗。 大鐘實驗相信人類擁有真正的自由意志。 大鐘實驗通過大量參與者的自由意志，在更大范圍內堵住了自由選擇的漏洞，并強烈否定了愛因斯坦的局域性原理。
這三位科學家當之無愧地獲得了諾貝爾物理學獎。 正如諾貝爾物理委員會主席所說，獲獎者對糾纏態的研究已經超越了解釋量子力學的基本問題。 這是因為基于三位物理學家的研究，量子糾纏已經在許多物理系統中得到了實驗證實和利用。 例如，在我們的實驗室中，當激光穿過非線性晶體時，會發生自發參量下轉換過程，泵浦光子會分裂成一對光子，滿足相位匹配條件。 這對光子處于特定的糾纏狀態。 無論這兩個光子相距多遠，比如一個留在我的實驗室，另一個通過墨子號衛星發送到太空，只要我們在我的實驗室測量并知道光子的狀態，就不需要測量遠處的另一個。 當太空中的光子進行任何操作時，它們的狀態可以立即得知。
量子糾纏是一種非常重要的物理資源，可以應用于量子保密通信，使我們獲得更加安全、高效的通信方式。 當應用于量子計算時，它使我們能夠擁有經典計算機無法比擬的強大計算能力的量子計算機。 當應用于量子精密測量時可以讓我們有更精確的測量方法等等。
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