近日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John F. Clauser）和安東·塞林格（Anton?Zeilinger），以表彰他們“用糾纏光子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確立了貝爾不等式的違背，開創(chuàng)了量子信息科學(xué)”。

以下為諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)對(duì)此次獲獎(jiǎng)工作官方介紹文件（通俗版）全文翻譯。

量子力學(xué)的基礎(chǔ)不僅僅是一個(gè)理論或哲學(xué)問題。利用單粒子系統(tǒng)的特殊性質(zhì)來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)測(cè)量、建造量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子保密通信，這些研究和進(jìn)展正在蓬勃發(fā)展之中。

許多應(yīng)用依賴于量子力學(xué)的一個(gè)獨(dú)特性質(zhì)：允許兩個(gè)或更多粒子存在于一個(gè)共享的狀態(tài)，無論它們相距多遠(yuǎn)。這就是所謂的“糾纏”。自從量子力學(xué)建立以來，它一直是爭論最多的主題之一，阿爾伯特·愛因斯坦稱其為“幽靈般的超距作用”，埃爾溫·薛定諤認(rèn)為這是量子力學(xué)最重要的特征。

今年的獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏的量子態(tài)進(jìn)行了探索，他們的實(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)。

遠(yuǎn)離日常經(jīng)驗(yàn)

當(dāng)兩個(gè)粒子處于量子糾纏態(tài)時(shí)，對(duì)其中一個(gè)粒子的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，無需檢測(cè)就可以立即知道如果對(duì)另一個(gè)粒子進(jìn)行同等測(cè)量將會(huì)得到什么結(jié)果。

初看起來，這也許并無奇怪之處。將粒子看作小球，我們想象這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：其中的黑球朝一個(gè)方向行進(jìn)，而白球朝相反方向行進(jìn)。如果觀察者接住了一個(gè)球、看到它是白色的，那么可以立即得知：向另一個(gè)方向行進(jìn)的球是黑色的。

而量子力學(xué)的奇特之處在于，在被測(cè)量之前，量子版本的“小球”沒有確定的狀態(tài)。這就好像兩個(gè)球都是灰色的，直到有人看了其中一個(gè)球。這時(shí)，這個(gè)球就會(huì)隨機(jī)地或者獲得兩個(gè)球的所有黑色元素或者顯示為白色，而另一個(gè)球同時(shí)變成相反的顏色。

但是，怎么可能知道這些球一開始就沒有一個(gè)被設(shè)定好了的顏色呢？即便它們看起來是灰色的，也許在它們內(nèi)部有一個(gè)“隱藏的標(biāo)簽”，規(guī)定好了當(dāng)有人看它們時(shí)，它們應(yīng)該變成哪種顏色。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?無人觀看之時(shí)，顏色是否存在？

量子力學(xué)中的糾纏對(duì)可以比作一臺(tái)把相反顏色球向相反方向投擲的機(jī)器。當(dāng)鮑勃抓到一個(gè)球、看到它是黑色的，他立即就可以知道愛麗絲抓到的是白色的球。有一種理論，它引入了隱藏變量，也就是說，這些球一直包含著關(guān)于顯示什么顏色的隱藏信息。然而量子力學(xué)卻說，這些球是灰色的，直到有人看它們——這時(shí)，隨機(jī)地，其中一個(gè)變成白色，另一個(gè)變成黑色。

貝爾不等式表明，有一些實(shí)驗(yàn)可以區(qū)分這些情況。這些實(shí)驗(yàn)最終證明了，量子力學(xué)的描述是正確的。

今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所獎(jiǎng)勵(lì)的研究中，一個(gè)重要部分是叫做“貝爾不等式”的理論見解。是量子力學(xué)的不確定性，還是具有某種秘密指令（或說隱變量）的另一種理論？貝爾不等式能讓我們對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，大自然正如量子力學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣運(yùn)行。球是灰色的，沒有秘密信息，概率決定了在實(shí)驗(yàn)中哪些球變成黑色、哪些變成白色。

量子力學(xué)的最重要資源

糾纏的量子態(tài)給如何存儲(chǔ)、傳輸和處理信息帶來了新的可能。

如果糾纏對(duì)中的粒子朝相反的方向行進(jìn)，其中一個(gè)粒子以某種方式與第三個(gè)粒子相遇而使得它們產(chǎn)生了糾纏，這時(shí)有趣的事情發(fā)生了。它們會(huì)進(jìn)入一種新的共享狀態(tài)。第三個(gè)粒子失去了其特征，但它原來的性質(zhì)現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了原來糾纏對(duì)中現(xiàn)在“落單”的那個(gè)粒子上。將未知量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到另一粒子的這種方式被稱作“量子隱形傳態(tài)”。這類實(shí)驗(yàn)由安東·塞林格及其同事在 1997 年首次完成。

值得注意的是，量子隱形傳態(tài)是將量子信息從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一系統(tǒng)而沒有任何損失的唯一方法。想要測(cè)量出一個(gè)量子系統(tǒng)的所有性質(zhì)，然后將其傳輸給接收者來重建整個(gè)系統(tǒng)，這是絕對(duì)不可能的。這是因?yàn)橐粋€(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)包含每個(gè)性質(zhì)的多個(gè)“版本”，每個(gè)版本在測(cè)量中都有一定的出現(xiàn)概率。而一旦執(zhí)行了測(cè)量，就只剩下一個(gè)版本，即被測(cè)量儀器讀取的那個(gè)。其他的已經(jīng)消失，不再可能知道它們的任何事情。然而，完全未知的量子性質(zhì)可以通過量子隱形傳態(tài)來傳輸，它將完好無損地出現(xiàn)在另一個(gè)粒子上，其代價(jià)是在原粒子中消失殆盡。

一旦這在實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)，下一步就是使用兩個(gè)糾纏粒子對(duì)。如果每個(gè)粒子對(duì)中的一個(gè)粒子以一種特殊的方式被聚集到一起，那么每個(gè)粒子對(duì)中未受擾動(dòng)的那個(gè)粒子就會(huì)糾纏在一起，盡管它們從未相互接觸過。這種糾纏交換在 1998 年由安東·塞林格的研究小組首次證實(shí)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?從未相遇的糾纏粒子

兩對(duì)糾纏粒子從不同的源發(fā)射出來。每對(duì)粒子中的一個(gè)粒子（圖中的 2 和 3）以一種特殊的方式被聚集到一起、發(fā)生糾纏。那么，另外兩個(gè)粒子（圖中的 1 和 4）也被糾纏起來。通過這種方式，兩個(gè)從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。

光子（即光的粒子）的糾纏對(duì)，可以通過光纖往相反的方向發(fā)送，并在量子網(wǎng)絡(luò)中起到信號(hào)作用。兩對(duì)光子對(duì)之間的糾纏使得擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離成為可能。光子通過光纖發(fā)送的距離是有限制的，因?yàn)楣庾訒?huì)被吸收或失去其性質(zhì)。普通的光信號(hào)可以沿途被放大，但這種方法不適用于糾纏對(duì)——放大器必須捕獲并測(cè)量光，這將破壞糾纏。然而，糾纏交換意味著可以將原始狀態(tài)發(fā)送得更遠(yuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)比其他方式更長的傳輸距離。

從佯謬到不等式

這一進(jìn)展基于多年的發(fā)展。它始于令人驚愕的洞察力——量子力學(xué)允許一個(gè)單一量子系統(tǒng)被分割成彼此分離的各部分，但它們?nèi)匀蛔鳛橐粋€(gè)整體來行動(dòng)。

這違背了關(guān)于因果和現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的所有通常想法。一個(gè)事件怎么可能被發(fā)生在另一地方的事件影響呢——如果沒有接受到來自那里的某種形式的信號(hào)？信號(hào)的傳播速度不可能超過光速——但在量子力學(xué)中，一個(gè)擴(kuò)展系統(tǒng)的不同部分似乎完全沒有必要通過信號(hào)來連接。

愛因斯坦（Albert Einstein）認(rèn)為這是不可行的，并與同事波多爾斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）一起研究了這一現(xiàn)象。他們?cè)?1935 年提出了他們的推想：量子力學(xué)似乎沒有提供對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述。這被稱為EPR佯謬，以研究人員姓名的首字母命名。

問題是，是否有一種對(duì)世界更完整的描述，而量子力學(xué)只是其中的一部分。例如，事情可以是這樣：粒子總是攜帶關(guān)于它們被測(cè)量后將顯示什么結(jié)果的隱藏信息。那么，所有的測(cè)量都顯示了就在執(zhí)行測(cè)量的位置所具有的性質(zhì)。這類信息通常被稱作“局域隱變量”。

當(dāng)時(shí)在CERN工作的北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾（John Stewart Bell）對(duì)這一問題進(jìn)行了仔細(xì)研究。他發(fā)現(xiàn)有一類實(shí)驗(yàn)，可以檢測(cè)世界是否純粹是量子力學(xué)的，或者是否可能存在帶有隱變量的另一種描述。重復(fù)多次他的實(shí)驗(yàn)，所有隱變量形式的理論所顯示出的結(jié)果之間的相關(guān)性，都必須低于或最多等于某一特定值。這就是所謂的“貝爾不等式”。

然而，量子力學(xué)可以違反這一不等式。它所預(yù)測(cè)的結(jié)果之間的相關(guān)性比任何局域隱變量理論的預(yù)測(cè)都要高。

1960年代，約翰·克勞澤還是一名學(xué)生時(shí)，就對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)原理產(chǎn)生了興趣。當(dāng)讀到約翰·貝爾的想法后，這一想法就縈繞在他腦海之中、揮之不去。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)實(shí)驗(yàn)中執(zhí)行的協(xié)議，來測(cè)試貝爾不等式。

實(shí)驗(yàn)涉及往相反方向發(fā)送一對(duì)糾纏的粒子（見下圖）。實(shí)際中，使用的是具有偏振性質(zhì)的光子。當(dāng)粒子被發(fā)射時(shí)，偏振方向是不確定的，唯一可以確定的是粒子具有平行的偏振?？梢杂脼V光片來開展研究，此濾光片允許特定方向的偏振光通過。這就是許多太陽鏡所利用的效應(yīng)，它可以阻擋在某一平面上偏振的光線，例如被水面反射的光。

約翰·克勞澤使用的是鈣原子，被一種特殊的光照射后，它可以發(fā)出糾纏光子。他在兩邊各設(shè)置了一個(gè)濾光片，用來測(cè)量光子偏振。經(jīng)過一系列測(cè)量，他發(fā)現(xiàn)它們違反了貝爾不等式。

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)兩個(gè)粒子被發(fā)送到朝向平行放置的濾光片（比如都垂直放置）時(shí)，如果一個(gè)粒子能夠通過，那么另一個(gè)也會(huì)通過。而當(dāng)兩個(gè)濾光片彼此成直角放置，那么一個(gè)粒子會(huì)被阻擋，而另一個(gè)將通過。巧妙之處在于，針對(duì)有一定傾斜角、不同方向放置濾光片的情況進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果會(huì)有變化：有時(shí)兩個(gè)粒子都通過，有時(shí)只有一個(gè)通過，有時(shí)都不通過。兩個(gè)粒子同時(shí)通過濾光片的概率取決于濾光片之間的角度。

量子力學(xué)導(dǎo)致了測(cè)量之間的相關(guān)性。一個(gè)粒子通過的可能性取決于在實(shí)驗(yàn)裝置另一側(cè)測(cè)試其“伙伴”偏振的濾光片的角度。這意味著，在某些角度上，兩個(gè)測(cè)量的結(jié)果違反了貝爾不等式，與由隱變量支配、預(yù)先已經(jīng)確定了的結(jié)果相比，具有更強(qiáng)的相關(guān)性。

被違反的不等式

約翰·克勞澤立即開始實(shí)施這一實(shí)驗(yàn)。他建造了一臺(tái)一次發(fā)射兩個(gè)糾纏光子的儀器，每個(gè)光子都射向一個(gè)檢測(cè)其偏振的濾光片。1972?年，與博士生斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman，1944—2012）一起，他們展示了明顯違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)一致。

在隨后的幾年，約翰·克勞澤和其他物理學(xué)家繼續(xù)討論這一實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)的不足。其中之一是，在粒子的制備和捕獲上，實(shí)驗(yàn)總是效率很低。測(cè)量也是預(yù)先設(shè)定好的，濾光片處在固定的角度。因此存在漏洞，觀察者可以對(duì)結(jié)果提出質(zhì)疑：會(huì)不會(huì)是由于實(shí)驗(yàn)裝置以某種方式選擇了恰巧具有強(qiáng)相關(guān)性的粒子，而沒有檢測(cè)到其他粒子？如果是這樣的話，粒子仍可能攜帶有隱藏信息。

消除這一漏洞是困難的，因?yàn)榧m纏的量子態(tài)極其脆弱、難以操控；處理單個(gè)光子是必要的。當(dāng)時(shí)的法國博士生阿蘭·阿斯佩沒有被嚇倒，經(jīng)過多次迭代改進(jìn)，他構(gòu)建了一個(gè)新版本的設(shè)置。在他的實(shí)驗(yàn)中，可以記錄通過濾光片的光子和沒有通過的光子。這意味著可以檢測(cè)到更多的光子，測(cè)量更好了。

在實(shí)驗(yàn)的最后一個(gè)改進(jìn)版本中，他還能夠?qū)⒐庾訉?dǎo)向以不同角度放置的兩個(gè)不同濾光片。巧妙之處在于，糾纏光子從源中生成、發(fā)射出之后，還有一種機(jī)制，能夠改變它們的方向。濾光片只在6米之外，所以方向切換需要在十億分之一秒量級(jí)之內(nèi)完成。如果光子將要到達(dá)哪個(gè)濾光片的信息影響了它從源發(fā)射的方式，它就不會(huì)到達(dá)那個(gè)過濾器。實(shí)驗(yàn)一側(cè)的濾光片信息也不會(huì)傳到實(shí)驗(yàn)的另一側(cè)，從而影響那里的測(cè)量結(jié)果。這樣，阿蘭·阿斯佩堵住了一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)漏洞，給出了一個(gè)清晰明確的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，沒有隱變量。

阿蘭·阿斯佩改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)，他使用了一種新方式來激發(fā)原子，能夠以更高的速率發(fā)射糾纏光子。他還可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)置之間的切換，使系統(tǒng)不包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)置信息。

安東·塞林格后來對(duì)貝爾不等式進(jìn)行了更多測(cè)試。他通過激光照射特殊晶體來制備糾纏光子對(duì)，并使用隨機(jī)數(shù)來控制測(cè)量設(shè)置之間的轉(zhuǎn)換。有一個(gè)實(shí)驗(yàn)，是使用來自遙遠(yuǎn)星系的信號(hào)來控制濾光片，確保信號(hào)不相互影響。

量子信息的時(shí)代

這些以及類似的實(shí)驗(yàn)為現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的量子信息科學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

操縱和管理量子態(tài)的能力，能給我們帶來新工具，其潛力超乎我們的想象。這是量子計(jì)算、量子信息的傳輸和存儲(chǔ)以及量子加密算法的基礎(chǔ)。現(xiàn)在，具有兩個(gè)以上粒子的系統(tǒng)（所有粒子都糾纏在一起）正在進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，安東·蔡林格和他的同事們是第一個(gè)探索纏在一起的，現(xiàn)在正在使用中，而安東·蔡林格及其同事是最早探索這種系統(tǒng)的人。

這些日益完善的工具使現(xiàn)實(shí)應(yīng)用越來越近?，F(xiàn)在已經(jīng)證明了，穿越數(shù)十公里光纖的光子之間，以及衛(wèi)星和地面接收站之間存在糾纏量子態(tài)。在很短的時(shí)間內(nèi)，世界各地的研究人員發(fā)現(xiàn)了利用量子力學(xué)最強(qiáng)大特性的很多新方法。

第一次量子革命給予了我們晶體管和激光。得益于操縱糾纏粒子系統(tǒng)的現(xiàn)代工具，我們現(xiàn)在正在進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （翻譯：王佳）

安東·塞林格是中國科學(xué)院外籍院士，也是中國量子信息領(lǐng)軍人物潘建偉在奧地利留學(xué)時(shí)的博士生導(dǎo)師。他一直在積極推動(dòng)國際交流與合作，對(duì)中國量子科技發(fā)展保持著關(guān)注和支持。2020年，安東·塞林格被授予“中國政府友誼獎(jiǎng)”。

值得一提的是，諾貝爾獎(jiǎng)授予量子信息科學(xué)，中國科學(xué)家也做出了重要貢獻(xiàn)。早在上世紀(jì)90年代，潘建偉就和導(dǎo)師塞林格一起開展量子信息實(shí)驗(yàn)研究。諾貝爾獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)和獲獎(jiǎng)工作的官方介紹文件中，都大量引用了潘建偉及其團(tuán)隊(duì)的成果與貢獻(xiàn)。例如，諾獎(jiǎng)官方介紹中著重強(qiáng)調(diào)了量子隱形傳態(tài)、糾纏交換的首次實(shí)現(xiàn)等工作，而在這一系列工作中，潘建偉都起到了核心作用；諾獎(jiǎng)新聞發(fā)布會(huì)上還重點(diǎn)展示了“墨子號(hào)”的工作，正是這些后續(xù)優(yōu)秀工作的推動(dòng)，量子信息從早期的夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，量子信息先驅(qū)榮獲諾獎(jiǎng)更眾望所歸。

量子信息科學(xué)是正在快速發(fā)展的新興學(xué)科。對(duì)于一個(gè)初生的孩子，他的力量，就是生長的力量。我們有理由期待，量子信息科學(xué)將給人們帶來更多驚喜，而中國科學(xué)家也將做出更重要的貢獻(xiàn)。