2022量子纠缠理论获诺贝奖，终于把在物理封神的爱因斯坦拉下神坛？
你明白“纠缠”吗？2022年诺贝尔物理学奖解读，证明了爱因斯坦存在的部分错误
京报网2022-10-05 09:33北京日报官网官方帐号
关注
获得诺贝尔物理学奖的三位科学家——法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格，他们通过开创性的实验展示了处于纠缠状态的粒子的潜，这三位获奖者对实验工具的开发，也为量子技术的新时代奠定了基础。
阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·塞林格（右）。图片来源：诺贝尔奖官网
你明白“纠缠”吗
在所谓的“纠缠对”中，一个粒子发生的事情，会决定另一个粒子发生的事情（不管相距多远）。这意味着什么？
纠缠示意图。
量子学的基础仅仅是一个论或哲学问题。其与全世界正密集研发的、以利用单个粒子系统的特殊属性来构建的子计算机、改进测、子网络以及子加密通信，都能息息相关。
以上应用，均需依赖于子学如何允许两个或多个粒子以共享状态存在，甚至无论它们相隔千山万水，均能保持这一状态。
这被称为纠缠。
自从该论提出以来，它一直是子学中争论最多的元素之一。
两对纠缠粒子从不同的来源发射。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式相互纠缠而聚集在一起。然后，其他两个粒子（图中的1和4）也被纠缠在一起。通过这种方式，两个从未接触过的粒子可以纠缠在一起。
阿尔伯特·爱因斯坦说这是“幽灵般的超距作用”，而埃尔温·薛定谔说这是子学最重要的特征。
今年的获奖者们，探索了这些纠缠的子态，他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍，为目前正在进的子技术革命奠定了基础。
不断解决漏洞
长期以来存在的一个问题是，相关性究竟是不是因为纠缠对中的粒子包含隐藏变量。1960年代，约翰·斯图尔特·贝尔提出了以他的名字命名的数学不等式。这说明如果存在隐藏变量，则大量测量结果之间的相关性，永远不会超过某个值。然而，量子力学预测某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式产生了更强的相关性。
量子力学的纠缠对可与反方向抛出相反颜色球的机器相提并论。当鲍勃接住一个球，看到它是黑色的时，他立即知道爱丽丝抓住了一个白色的。在使用隐藏变量的理论中，球总是包含有关显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学却说，这些球是灰色的，直到有人看着它们时，一个随机变成白色而另一个变成黑色。贝尔不等式关系表明，有实验可以区分这些情况。这样的实验证明了量子力学的描述是正确的。
约翰·克劳泽发展了贝尔的想法，并通过一个实际的实验进行测量，测量结果通过明显违反贝尔不等式来支持量子力学。这意味着，量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代。
约翰·克劳泽研究示意图。
在约翰·克劳泽的实验之后，一些漏洞仍然存在。阿兰·阿斯佩开发了一种新设置，并以一种弥补重要漏洞的方式使用它。他能够在纠缠对离开其源后切换测量设置，因此在它们发射时既有设置就不会影响结果。
阿兰·阿斯佩研究示意图。
使用改良工具和一系列长期实验，安东·塞林格的团队利用纠缠量子态证明了一种称为量子隐形传态的现象，它可以将量子态从一个粒子移动到远距离的另一个粒子。
安东·塞林格研究示意图。
“纠缠态”正从理论走向技术
量子力学现已开始得到应用，并产生了很广阔的研究领域，其包括量子计算机、量子网络和更为安全的量子加密通信。
从实践的角度来说，量子纠缠所代表的，其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满，正源于每一阶段可应用范围的不够。
诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克这样总结道：“越来越清楚的是，一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”
（原标题：纠缠，是一种强大的工具！2022年诺贝尔物理学奖解读）
来源：科技日报微信公众号
流程编辑：TF099
解读2022年诺贝尔物理学奖：为第二次量子革命奠定基础
2022-10-06 11:20 来源：新华社
以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命、曾被爱因斯坦质疑的量子纠缠、中国在全球率先发射的量子卫星……这些都是与刚刚揭晓的2022年诺贝尔物理学奖相关的热门话题。 瑞典皇家科学院4日宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。
量子力学从上世纪初诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。近来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。瑞典皇家科学院在诺奖公报中说，今年三位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。 量子纠缠长期是量子力学中最具争议的问题之一。量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变，另一个的状态会瞬时发生相应改变。
在很长一段时间里，以爱因斯坦为代表的部分物理学家对量子纠缠持怀疑态度，爱因斯坦称其为“鬼魅般的超距作用”。他们认为量子理论是“不完备”的，纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递，也就是“隐变量”。 20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔提出可用来验证量子力学的“贝尔不等式”。如果贝尔不等式始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。
为了对贝尔不等式进行验证，美国科学家约翰·克劳泽设计了相关实验，其中使用特殊的光照射钙原子，由此发射纠缠的光子，再使用滤光片来测量光子的偏振状态。经过一系列测量，克劳泽能够证明实验结果违反了贝尔不等式，且与量子力学预测相符。 但这个实验具有局限性，原因包括实验装置在产生和捕获粒子方面效率较低、滤光片处于固定角度等。在此基础上，法国科学家阿兰·阿斯佩设计了新版本的实验，测量效果更好。阿斯佩填补了克劳泽实验的重要漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，且没有“隐变量”。
奥地利科学家安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多的实验验证。其中一项实验使用了来自遥远星系的信号来控制滤波器，确保信号不会相互影响，进一步证实了量子力学的正确性。蔡林格和同事还利用量子纠缠展示了一种称为量子隐形传态的现象，即将量子态从一个粒子转移到另一个粒子。其团队还在量子通信等方面有诸多研究进展。 其中一项重要成果就是，2017年中国与奥地利科学家借助中国的“墨子号”量子卫星，成功实施世界首次量子保密的洲际视频通话。这也是为什么诺贝尔物理学奖评委托尔斯·汉斯·汉森在现场解读获奖成果时，展示了一张含有中国量子卫星的图片，其上显示了中国和欧洲之间的洲际量子通信实验。
诺奖官方公报说，世界各地的研究人员已经发现了许多利用量子力学强大特性的新方法，而这些都得益于今年三位获奖者的贡献。他们扫除了贝尔不等式等“拦路虎”，这也是为什么公报称赞“他们的结果为基于量子信息的新技术扫清了道路”。
诺贝尔物理学奖授予量子力学：获奖者证明爱因斯坦的错误
诺贝尔物理学奖授予量子力学：获奖者证明爱因斯坦的错误
语音播报缩小字体放大字体微博微信分享0
北京时间10月4日17时45分，诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。
2022诺贝尔物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格
诺贝尔物理学委员会指出，他们的工作“为量子技术的新时代奠定了基础”。委员会成员伊娃·奥尔森说，量子信息科学在安全信息传输和量子计算等领域具有广泛的影响，是一个“充满活力且发展迅速”的领域。
证明爱因斯坦错误
“他们三位获奖是实至名归。”图灵量子创始人、上海交大集成量子信息技术研究中心主任金贤敏对《中国新闻周刊》说。他解释，阿斯佩等三人是量子信息领域公认的开创者和先驱，这些实验结束了爱因斯坦和旧量子论奠基人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔持续近百年的争论。
20世纪20年代的量子力学革命就是在这场争论中开启。量子力学长期以来的核心理论难题是“远距离的幽灵行动”问题，即为何两个或多个粒子以所谓的纠缠态存在，更进一步阐述，纠缠对中的一个粒子发生的事情，就决定了另一个粒子发生的事情——即便它们相距很遥远。比如，一个光子的偏振态是“向上”的，另一个光子的偏振态就必然是“向下”的，仿佛“心灵感应”。对此，爱因斯坦认为，纠缠对中的粒子包含了隐藏变量，即局部因果关系，因此量子力学形式是不完整的。显然，爱因斯坦不相信上帝会掷骰子，玻尔则强烈反对这一结论。
1935年，爱因斯坦等更进一步提出了著名的EPR佯谬，核心观点是：量子力学没有提供对现实完整描述。1964 年，在欧洲核子研究中心工作的英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式，这一不等式的核心在于，如果存在隐藏变量，则大量粒子测量结果间相关性永远不会超过某个值。如果能通过实验验证，测量结果违反了贝尔不等式，就意味着量子力学不能用局域隐变量理论来解释，即证明爱因斯坦的认知是错误的。
后来事实表明，阿斯佩、克劳泽和塞林格都通过实验验证了违反贝尔不等式的情况，因此，三人早在2010年就共同获得了世界物理学界最高成就奖之一的沃尔夫奖，获奖理由是“他们对量子物理学基本概念和实验的贡献，特别是对贝尔不等式一系列日益复杂的测试或使用纠缠量子态对其扩展。”
克劳泽是世界上第一个对贝尔不等式验证的科学家，他今年已经80岁了。1972 年，正在加州大学伯克利分校任职的他就与博士生斯图尔特完成了世界上首次对违反贝尔不等式的实验观察。在哥大读书期间，克劳泽的量子力学课还曾连续两次获得C, 又被迫重修了两次。
这类早期实验往往存在漏洞。1982年，还在读博的阿斯佩改进了克劳泽的实验，第一次真正意义上补上了漏洞，验证了贝尔不等式并不成立。阿斯佩1947年出生在法国，先后在法兰西学院和巴黎高等师范学院等任职，后来成为了法国国家科学研究中心的杰出名誉科学家。
中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿对《中国新闻周刊》分析说，贝尔不等式是量子力学发展中一个非常重要的理论，这个理论之所以如此重要，是因为它对“量子力学是否正确”这样的重大问题做出了一个判断。而在验证的所有实验中，阿斯佩实验又是其中最重要的一个，因为早期实验漏洞太多，并不令人信服，但阿斯佩实验第一次“用光学的方法真正把道理讲清楚”，被学界所公认。实验提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，没有隐藏的变量，“幽灵肯定存在”。
“我1990年代到阿斯佩的实验室参观时遇到了他，他是个做学问很认真的人，他当时自己说，他的实验仍有漏洞，但这并不影响实验的结论。”郭光灿说。
实验的漏洞被完全“堵上”要等到2015年，这是塞林格的工作。在一系列实验中，他使用了距离源足够远、快速可切换的偏振器，还使用大约 600 年前恒星发出的光来进行测试，以尽可能减少“历史性”中的隐藏变量。包括塞林格在内的多个团队完成了“无漏洞”的贝尔不等式验证。
塞林格1945年出生于奥地利，1971 年在维也纳大学获得博士学位，1999年加入维也纳大学任教，后来成为奥地利科学院院长。值得一提的是，国内知名量子通信专家潘建伟1996年在奥地利攻读博士学位时，就师从塞林格。现在，塞林格团队与中国科学院合作密切，参与了中科院主导的洲际量子通信实验，在国际上首次实现北京--维也纳两地量子保密通信。
诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克在颁奖时说，三位获奖者各自使用“两个粒子即使在分离时也表现得像一个单元”的纠缠量子态，进行了开创性实验，实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。“对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题”。
《星际迷航》中的“超时空传输”
这些开创性实验的重要意义，不仅重新确认了量子力学纠缠态存在的基础理论，而且开启了第二次量子革命——量子通信技术诞生。
2022年诺贝尔物理学奖的公布现场，潘建伟团队的“墨子号”也公开“亮相”，出现在介绍获奖者成果的案例展示中。2016年8月16日，中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，于2017年1月18日正式开展科学实验，构建“墨子号”的基础科学原理，就是塞林格团队1997 年首次完成的量子隐形传态实验。“这可能是颁奖给塞林格的重要理由之一。”郭光灿解释道。
什么是量子隐形传态？
简单来说，就是《星际迷航》中的超时空传输，即点对点的远距离“传送”，量子隐形传态就是利用纠缠态传输量子信息。但值得注意的是，在这个过程中，传输的是两个纠缠粒子的状态，比如自旋状态，而非粒子本身，比如把粒子Ａ的未知量子态传输给远处的另一个粒子Ｂ，让Ｂ粒子的状态变成Ａ粒子最初的状态。
金贤敏解释说，当实验人员想传输一个量子态时，先把这个初始量子态和量子纠缠对中其中一个粒子“碰一下”，“进行一系列操作”，再把操作结果发到纠缠对的另外一个粒子处，对其进行一定操纵和旋旋以后，“另外一个粒子就会和最初想传输的量子态一模一样，也就是通过纠缠做一个桥梁，可以传递任意未知的量子态。”
1997年，塞林格首次在实验中成功传送了一个光子的自旋，相关成果于当年12月被发表在《自然》上，题为《实验量子隐形传态》。论文指出，量子隐形传态是量子系统状态在任意距离上的传输和重建，也是量子计算网络的关键组成部分。几年后，塞林格团队又成功将秘密信息编码成纠缠光子串，使窃听者无法有效拦截这些信息。
在《实验量子隐形传态》一文中，27岁的潘建伟担纲第二作者，该文后来还入选了《自然》的“物理学百年21篇经典论文”。“入选的这些论文中，前面20篇都拿到诺奖了，这是第21篇，今年也获得了诺奖。”金贤敏说。金贤敏是潘建伟的学生，在博士求学期间，就在野外环境下开展了三年量子隐形传态实验。
郭光灿认为，这项工作的重要意义，在于首次实现了对粒子的“操纵”，而这是量子通信的基础性工作。诺贝尔物理学委员会在颁奖时也说：“能够操纵和管理量子态及其所有属性层，使我们能够获得有着意想不到潜力的工具。”
潘建伟10月4日接受《知识分子》采访时对塞林格的工作进行了总结：“他的工作直接推动了量子信息领域的发展，相当于起到了从量子基础到量子信息领域的桥梁作用。”金贤敏指出，这种“量子态级别的高精度大规模操纵”，推动了以量子计算、量子通信、量子精密测量和量子成像为代表的一系列新技术的崛起。
目前，量子通信是唯一被证明无条件安全的通讯方式；量子计算则有着远超传统计算机的超快的并行计算能力。
现在，中国在量子通信技术上已经处于全球前列。2009年，潘建伟团队与清华大学合作，在北京八达岭与河北怀来之间实现了16公里的量子态隐形传态，相当于此前世界纪录27倍。2015年，潘建伟团队进一步实现了单光子多自由度的量子隐形传态，首次证明了一个粒子的所有性质在原理上都是可以被传输的，即完整意义上的量子隐形传态。今年5月，潘建伟团队利用“墨子号”首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络又迈出了重要一步。
与此同时，全球各国都在抢占“量子赛道”。美国正在建造量子卫星链路，特朗普政府2018年启动了美国量子行动计划，计划在2019~2023年在量子研究方面投入12.75亿美元。2018年10月，欧盟也宣布了《量子旗舰计划》，计划在未来十年间在量子传感器、量子通信与量子计算机领域投入10亿欧元。法国宣布了一项规模高达18亿欧元的量子技术五年投资计划。据悉，中国量子国家实验室投入规模预计在未来5~10年达到数百亿元人民币。下一步，中国量子通信技术发展将主要聚焦三个方向：量子通信安全性定量化、量子通信系统芯片化和小型化、完善量子网络建设的方式和协议的更新。
在量子信息技术中，多位业内人士对《中国新闻周刊》指出，量子精密测量是最接近产业化与实用化的，通过量子态对外界进行测量，在精度上突破了经典力学的散粒噪声极限。潘建伟曾在接受《中国新闻周刊》采访时也指出，量子精密测量的用途很广，包括时间、长度、温度等尺度，他预计接下来的5到15年间，各式各样的应用会陆续推出。
郭光灿表示，量子通信“最大的好处”是可以把量子节点联结在一起，共同构成一个量子网络，可以和量子计算融合在一起，这将是未来“有很大发展的一个方向”，但在当下，我们仍处在对节点的研究过程中，而在应用层面，最有前景的则是量子计算机。潘建伟说，在五年内，有信心能建造出“一些专用的量子模拟机来推动整个领域的发展”，而 10~15年后通用的量子计算会取得长足进展。
这些都是在不远的未来即将发生的事情。而在更远的时间的尽头，“生命、宇宙以及任何事情的终极答案”是什么？
塞林格最喜欢的书是《银河系漫游指南》，这本书中有一台强大的超级计算机，对于上述问题，在经过长达750万年运算与验证之后，超级计算机吐出的最终答案是“42”。作为一位狂热的水手，塞林格将他的船也命名为“42”。他说：“如果我们真正去深入了解为什么世界有量子力学，即42 的来源，我有一种感觉，我不相信量子力学是最终定论。”
记者：霍思伊
