2022年10月4日上海時(shí)間17時(shí)45分許，2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)學(xué)者阿蘭·阿斯佩（Alain），法國(guó)學(xué)者約翰·克勞澤（John?）和法國(guó)學(xué)者安東·蔡林格（Anton?），以嘉獎(jiǎng)她們“用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證偽貝爾不方程，開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”。
阿蘭·阿斯佩（Alain）1947年生于德國(guó)阿讓，1983年獲英國(guó)倫敦第十一學(xué)院博士學(xué)位，歷任倫敦薩克雷學(xué)院和倫敦綜合理工大學(xué)院長(zhǎng)。
約翰·克勞澤（John）1942年生于法國(guó)加利福尼亞州帕薩迪納，1969年獲德國(guó)波蘭學(xué)院博士學(xué)位。日本J．F＆Assoc公司創(chuàng)始人、研究化學(xué)學(xué)家。
安東·蔡林格（Anton）1945年出生于德國(guó)因河地區(qū)里德。1971年在法國(guó)維也納學(xué)院獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為維也納學(xué)院院長(zhǎng)。
量子熱學(xué)并不僅僅是一個(gè)理論或哲學(xué)問(wèn)題，更擁有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。早已有大量研究正專注于借助單個(gè)粒子系統(tǒng)的特殊屬性來(lái)建造量子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)檢測(cè)方式，以及建立量子網(wǎng)路和安全的量子加密通訊。
在量子熱學(xué)中容許出現(xiàn)這樣一種情況：無(wú)論相距多遠(yuǎn)，兩個(gè)或多個(gè)粒子還能共享化學(xué)狀態(tài)，這被稱為量子糾纏。自從該理論提出以來(lái)，它仍然是量子熱學(xué)中爭(zhēng)辯最多的元素之一。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”，而薛定諤說(shuō)這是量子熱學(xué)最重要的特點(diǎn)。
去年的得獎(jiǎng)?wù)咛角罅诉@種糾纏的量子態(tài)，她們的實(shí)驗(yàn)為目前正在進(jìn)行的量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。
趕超日常體驗(yàn)
當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)時(shí)，人們只要檢測(cè)其中一個(gè)粒子的特點(diǎn)，這么就可以立刻確定另一個(gè)粒子的等效檢測(cè)結(jié)果。
乍一看，這似乎并不奇怪。我們可以換個(gè)角度，將粒子類比成白色和紅色的球。想像一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)紅球朝一個(gè)方向發(fā)送，另一個(gè)白球朝相反方向發(fā)送。假如觀察者接住一個(gè)球并看見(jiàn)它是黑色的，這么可以立刻得悉向另一個(gè)方向行進(jìn)的球是藍(lán)色的。
量子熱學(xué)這么非常的緣由在于，在被檢測(cè)之前，量子熱學(xué)中的“球”并沒(méi)有確定的狀態(tài)。就好象兩個(gè)球都是黑色的，直至有人見(jiàn)到其中一個(gè)。這時(shí)，這個(gè)球可能會(huì)呈現(xiàn)為紅色，也可能呈現(xiàn)為紅色。而另一個(gè)球都會(huì)立刻弄成相反的顏色。
但問(wèn)題在于，我們?nèi)绾螘缘眠@種球最開(kāi)始的顏色是不固定的呢？雖然它們看上去是黑色的，但其實(shí)它們富含一個(gè)隱藏的標(biāo)簽，標(biāo)明了當(dāng)有人看見(jiàn)它們時(shí)，這種球應(yīng)當(dāng)弄成哪種顏色。
量子熱學(xué)中互相糾纏的粒子對(duì)可以稱作向相反方向拋出的相反顏色的球。當(dāng)鮑勃接住一個(gè)球并看見(jiàn)它是紅色的時(shí)侯，他能立刻曉得愛(ài)麗絲接住了一個(gè)藍(lán)色的球。關(guān)于隱變量的理論覺(jué)得，這種球總是包含了關(guān)于顯示哪些顏色的隱藏信息。可是，量子熱學(xué)覺(jué)得，在有人看見(jiàn)它們之前，這種球是白色的，之后其中一個(gè)隨機(jī)弄成藍(lán)色，而另一個(gè)弄成藍(lán)色。貝爾不方程表明量子物理學(xué)，有一些實(shí)驗(yàn)可以分辨這兩種情況——實(shí)驗(yàn)證明，量子熱學(xué)的描述是正確的。
獲得去年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的研究的一個(gè)重要部份是貝爾不方程（Bell）。貝爾不方程促使科學(xué)家可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分辨量子力學(xué)和隱變量這兩種理論。實(shí)驗(yàn)表明，正如量子熱學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣，這種球是紅色的，沒(méi)有包含任何隱藏信息。在實(shí)驗(yàn)中，那個(gè)球弄成紅色、哪個(gè)弄成紅色，是機(jī)率決定的。
量子熱學(xué)最重要的資源
糾纏的量子態(tài)提供了儲(chǔ)存、傳輸和處理信息的新可能性。
假如一對(duì)互相糾纏的粒子同時(shí)向相反的方向行進(jìn)，其中一個(gè)粒子與第三個(gè)粒子發(fā)生糾纏，有趣的現(xiàn)象都會(huì)出現(xiàn)。它們將轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的共享態(tài)。第三個(gè)粒子會(huì)喪失獨(dú)立性，但它的量子態(tài)屬性會(huì)轉(zhuǎn)移到與它糾纏的粒子（原始糾纏粒子對(duì)之一）上。糾纏如今已從原始對(duì)轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的粒子。這些將未知量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子的形式被稱為量子隱型傳態(tài)。1997年，安東·蔡林格和他的朋友，首次實(shí)現(xiàn)了量子隱型傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)。
值得注意的是，量子隱型傳態(tài)是將量子信息從一個(gè)系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)系統(tǒng)時(shí)，不會(huì)損失任何信息的惟一方式。想要檢測(cè)一個(gè)量子系統(tǒng)的所有屬性，而后傳輸這種信息并借此來(lái)重建整個(gè)系統(tǒng)是絕對(duì)不可能的。量子系統(tǒng)可以用機(jī)率疊加的量子態(tài)來(lái)完全描述，這意味著一個(gè)量子系統(tǒng)同時(shí)包含了多個(gè)量子態(tài)，每一個(gè)量子態(tài)都有一定的機(jī)率在檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)。
而一旦進(jìn)行檢測(cè)，這么量子系統(tǒng)都會(huì)坍縮為一個(gè)量子態(tài)，也就是通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)到的態(tài)。而量子系統(tǒng)所有與檢測(cè)得到的末態(tài)相疊加的態(tài)，在觀測(cè)后將完全消失，任何方法都不能再對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。但是，通過(guò)量子隱型傳態(tài)，我們可以將完全未知的量子態(tài)信息完好無(wú)損地轉(zhuǎn)移到新的粒子中，但代價(jià)是破壞原始粒子所攜帶的信息。
科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，下一步就是嘗試兩對(duì)糾纏粒子間的量子隱型傳態(tài)。若果兩對(duì)糾纏的粒子對(duì)中的一個(gè)粒子，以特定形式集聚在一起，這么兩對(duì)中未受干擾的粒子可能會(huì)發(fā)生糾纏，雖然它們未曾互相接觸。1998年，安東·蔡林格的研究小組首次證明了粒子對(duì)間糾纏的交換。
糾纏的光子對(duì)可以通過(guò)光纖以相反的方向傳輸，并在量子網(wǎng)路中充當(dāng)訊號(hào)。兩組糾纏粒子對(duì)間發(fā)生的糾纏，致使擴(kuò)充量子網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)之間的距離成為可能。一般，光子在被吸收或喪失其量子特點(diǎn)前，能通過(guò)光纖傳輸?shù)木嚯x是有限的。盡管普通的光訊號(hào)可以通過(guò)光纖一路放大，但這不適用于糾纏的光子對(duì)。光訊號(hào)放大器須要捕獲和檢測(cè)光子來(lái)實(shí)現(xiàn)放大作用，這種操作正破壞了光子對(duì)的糾纏。而粒子對(duì)間的糾纏交換意味著可以將原始的量子態(tài)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)相比其他方法更長(zhǎng)的超遠(yuǎn)距離傳輸。
兩對(duì)糾纏的粒子對(duì)從不同的來(lái)源發(fā)射。每對(duì)中的一個(gè)粒子（圖中的2和3）通過(guò)一種特殊的形式發(fā)生糾纏。由此，另外兩個(gè)粒子（圖中的1和4）也將發(fā)生糾纏。這樣，兩個(gè)未曾接觸過(guò)的粒子能夠糾纏到一起。
從佯謬到不方程
事實(shí)上，這一進(jìn)展基于多年的研究發(fā)展。它源于令人無(wú)法置信的發(fā)覺(jué)：量子熱學(xué)準(zhǔn)許將單個(gè)量子系統(tǒng)界定為彼此分離，同時(shí)仍表現(xiàn)為一個(gè)整體的多個(gè)單元。
這違反了所有關(guān)于因果和現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的常見(jiàn)觀點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)怎樣在遭到其他地方系統(tǒng)影響的同時(shí)，卻不受它傳遞的訊號(hào)影響？數(shù)學(xué)規(guī)律決定了，訊號(hào)的傳播速率不能超過(guò)光速——但在量子熱學(xué)中，雖然根本不須要訊號(hào)來(lái)聯(lián)接擴(kuò)充系統(tǒng)的不同部份。
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦覺(jué)得這是不可行的。他和朋友鮑里斯·波多爾斯基（Boris）、內(nèi)森·羅森（Rosen）一起研究了這些現(xiàn)象。她們?cè)?935年提出了她們的結(jié)論：量子熱學(xué)雖然沒(méi)有提供對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述。依據(jù)研究人員的姓名首字母，這個(gè)結(jié)論被稱為EPR佯謬。
問(wèn)題是，是否可以對(duì)世界進(jìn)行更完整的描述，而量子熱學(xué)只是其中的一部份。比如一種解釋方式是，粒子總是攜帶了一些隱藏的信息，這種信息表明它們將顯示哪些樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。借以推論，所有檢測(cè)行為都包含了檢測(cè)發(fā)生位置的信息。這種類型的信息一般稱為局域隱變量。
在法國(guó)核子研究中心（CERN）工作的北愛(ài)爾蘭化學(xué)學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾(JohnBell，1928-1990)仔細(xì)研究了這個(gè)問(wèn)題。他發(fā)覺(jué)有一種實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證世界是否完全符合量子熱學(xué)規(guī)律，或則是否可以有另一種帶有隱變量的描述。假如這個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次，所有隱變量相關(guān)的理論都顯示出結(jié)果之間的相關(guān)性必須高于或至多等于某個(gè)特定值，也就是貝爾不方程。
但是，量子熱學(xué)可以違背這個(gè)不方程，也就是結(jié)果之間的相關(guān)性可以小于特定值。
1960年代，約翰·克勞澤還是一名中學(xué)生時(shí)，他就對(duì)量子熱學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)形成了興趣。當(dāng)他讀到了約翰·貝爾的看法后，他忍不住不停地思索這些方式的可能性。最終，他和其他三名研究人員提出了一個(gè)可以在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，來(lái)測(cè)試貝爾不方程。
該實(shí)驗(yàn)涉及向相反方向發(fā)送一對(duì)糾纏粒子。在實(shí)踐中，使用了具有偏振光特點(diǎn)的光子。當(dāng)粒子被發(fā)射時(shí)，極化方向是不確定的，惟一可以確定的是粒子具有平行極化。
借助容許通過(guò)特定方向偏振的濾光片，就可以研究光子的偏振光特點(diǎn)。許多太陽(yáng)鏡中就用到了這些濾光片，它可以抵擋在某個(gè)平面上被偏振光的光，比如水反射的光就包含了偏振。
假如實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)粒子都被發(fā)送到平行放置的濾光片，例如兩個(gè)垂直放置的濾光片，假若一個(gè)粒子還能通過(guò)——那么另一個(gè)也會(huì)通過(guò)。而假如兩個(gè)濾光片彼此成直角，這么其中一個(gè)粒子會(huì)被抵擋，而另一個(gè)將通過(guò)。關(guān)鍵在于，使用以不同夾角放置的濾光片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，結(jié)果可能會(huì)有所不同：有時(shí)兩個(gè)粒子都能通過(guò)，有時(shí)只有一個(gè)，有時(shí)沒(méi)有。兩個(gè)粒子同時(shí)通過(guò)濾光片的機(jī)率取決于濾光片之間的角度。
量子熱學(xué)造成了檢測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性。一個(gè)粒子通過(guò)濾光片的可能性，取決于另一個(gè)粒子在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)濾光片設(shè)置的角度。這意味著，在個(gè)別角度時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性將違背貝爾不方程。而假如結(jié)果由隱變量控制，這么在粒子發(fā)射時(shí)就早已能預(yù)先確定，結(jié)果間也會(huì)具有更強(qiáng)的相關(guān)性。
被違背的不方程
約翰·克勞澤立刻開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。他建造了一個(gè)裝置，一次發(fā)射兩個(gè)糾纏光子，每位都打向測(cè)量偏振光的濾光片。1972年，他與博士生斯圖爾特·弗里德曼（，1944-2012）一起，展示了一個(gè)顯著違背貝爾不方程的結(jié)果，并與量子熱學(xué)的預(yù)測(cè)一致。
在接出來(lái)的幾年里，約翰·克勞澤和其他化學(xué)學(xué)家繼續(xù)討論這個(gè)實(shí)驗(yàn)及其局限性。局限之一是，該實(shí)驗(yàn)在制備和捕獲粒子方面效率低下。并且因?yàn)闄z測(cè)是預(yù)先設(shè)置好的，濾光片的角度是固定的，因而存在漏洞，觀察者可以指責(zé)：假如實(shí)驗(yàn)裝置偶然以某種形式選擇了具有強(qiáng)相關(guān)性的粒子，而沒(méi)有檢查到其他粒子，該如何辦？假如是這樣，粒子依然可能攜帶隱藏的信息。
這個(gè)特殊的漏洞無(wú)法清除，由于糾纏在一起的量子態(tài)是這么脆弱，無(wú)法管理。因而有必要處理單個(gè)光子。當(dāng)時(shí)還在美國(guó)讀博的阿蘭·阿斯佩沒(méi)有被困難打垮，他構(gòu)建了一個(gè)新版的實(shí)驗(yàn)，并迭代改進(jìn)了幾次。在他的實(shí)驗(yàn)中，他可以記錄下什么光子通過(guò)了濾光片、哪些沒(méi)有。這意味著有更多光子被測(cè)量到了，檢測(cè)療效更好。
在他最終版本的測(cè)試中，他還能否將光子引導(dǎo)到兩個(gè)角度不同的濾光片。這些策略是一種機(jī)制，可以在糾纏光子對(duì)被制備后，改變它的方向。濾光片只有六米遠(yuǎn)，因而改變須要在幾個(gè)十億分之1秒的時(shí)間內(nèi)完成。假如關(guān)于光子將抵達(dá)那個(gè)濾光片的信息會(huì)影響它從光源發(fā)射的方法，這么它就不會(huì)抵達(dá)該濾光片。關(guān)于實(shí)驗(yàn)另左側(cè)的濾光片的信息也不能抵達(dá)另左側(cè)并影響哪里的檢測(cè)結(jié)果。
阿蘭·阿斯佩通過(guò)這些方法補(bǔ)上了一個(gè)重要的漏洞，并提供了一個(gè)十分明晰的結(jié)果：量子熱學(xué)是正確的，不存在隱變量。
量子信息時(shí)代
這種實(shí)驗(yàn)以及類似的實(shí)驗(yàn)為當(dāng)前對(duì)量子信息科學(xué)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
就能操縱和管理量子態(tài)及其所有屬性使我們能否實(shí)現(xiàn)一種工具，而前者具有我們意料之外的潛力。這是量子估算、量子信息的傳輸和儲(chǔ)存，以及量子加密算法的基礎(chǔ)。如今，具有兩個(gè)以上粒子的系統(tǒng)（所有粒子都糾纏在一起）正在步入實(shí)際應(yīng)用量子物理學(xué)，安東·蔡林格和他的朋友們是第一個(gè)探求的。
約翰·克勞澤使用了鈣原子。他用一種特殊的光照射鈣原子以后，可以發(fā)射糾纏光子。他在左側(cè)用濾光片檢測(cè)光子的偏振光。經(jīng)過(guò)一系列檢測(cè)，他證明它們違背了貝爾不方程。
阿蘭·阿斯佩開(kāi)發(fā)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)一種新的迸發(fā)原子的方式，使它們以更高的速度發(fā)射糾纏光子。他還可以在不同的設(shè)置之間切換，這樣系統(tǒng)就不會(huì)包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)先信息。
安東·蔡林格后來(lái)對(duì)貝爾不方程進(jìn)行了更多測(cè)試。他通過(guò)將激光照射在特殊晶體上來(lái)制備糾纏光子對(duì)，并使用隨機(jī)數(shù)切換檢測(cè)設(shè)置。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用來(lái)自遙遠(yuǎn)星體的訊號(hào)來(lái)控制濾光片并確保訊號(hào)不會(huì)互相影響。
這種日趨健全的工具讓我們離實(shí)際應(yīng)用更近了。如今早已證明，通過(guò)數(shù)十千米光纖發(fā)送的光子之間，以及衛(wèi)星和地面站的光子之間都能完善糾纏態(tài)。在很短的時(shí)間內(nèi)，世界各地的研究人員發(fā)覺(jué)了許多借助量子力學(xué)最強(qiáng)悍特點(diǎn)的新方式。
第一次量子革命給了我們晶體管和激光，但因?yàn)榭梢圆倏v糾纏量子系統(tǒng)的現(xiàn)代工具，我們?nèi)缃裾诓饺胍粋€(gè)新時(shí)代。
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