北京時(shí)間2022年10月4日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)宣布頒發(fā)給法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·克勞瑟（John F. Clauser）、奧地利量子物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）三人，以表彰他們“對(duì)糾纏光子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，證明了對(duì)貝爾不等式的違反和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)”。提到三人的貢獻(xiàn)，不能不說人類對(duì)于量子力學(xué)的認(rèn)知過程。量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，它在原子和亞原子領(lǐng)域的粒子尺度上解釋自然，這些粒子包括光子、電子和夸克等，其基本思想是這些微觀粒子的屬性是概率性的。

上帝不擲骰子

眾所周知，愛因斯坦既是量子力學(xué)的創(chuàng)始人，也是量子力學(xué)的批評(píng)者。他對(duì)這個(gè)理論最強(qiáng)烈的抱怨總結(jié)在這句話中：“上帝不擲骰子”。幾乎每個(gè)人都知道這句話，但它到底是什么意思呢？

量子力學(xué)是一種非確定性理論，這意味著它不能預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的確切結(jié)果，它只能預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)中執(zhí)行的每個(gè)可能測(cè)量的每種可能結(jié)果的概率。在愛因斯坦看來，事物應(yīng)該是實(shí)在確定的，不因測(cè)量而改變，概率性只是因?yàn)楝F(xiàn)有的量子理論是不完整的。因此，他認(rèn)為應(yīng)該有一個(gè)潛在的現(xiàn)實(shí)隱藏在我們面前（隱變量），量子力學(xué)只是這個(gè)現(xiàn)實(shí)的近似解釋。

在量子力學(xué)中，量子糾纏被解釋為一組粒子發(fā)生相互關(guān)聯(lián)而必須以整體方式去描述的物理現(xiàn)象，該組中每個(gè)粒子的量子狀態(tài)均不能獨(dú)立于其他粒子的狀態(tài)來描述。如果有兩個(gè)粒子發(fā)生了量子糾纏，觀察者通過“觀測(cè)”確定了一個(gè)粒子的量子態(tài)，另一個(gè)粒子的量子態(tài)會(huì)同時(shí)發(fā)生坍縮而確定下來，無論這兩個(gè)粒子之間的距離相隔多遠(yuǎn)（比如數(shù)億光年之外），這被稱作“非定域性”。玻爾、薛定諤等著名科學(xué)家對(duì)量子糾纏的非定域性持支持態(tài)度。

如果粒子之間有某種方式及時(shí)地“互通消息”，那必然是一種超距瞬時(shí)的信號(hào)，而這又與相對(duì)論中光速不可超越相違背。因此，量子糾纏被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距離現(xiàn)象”，并質(zhì)疑這一理論。他與普林斯頓大學(xué)的同事鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內(nèi)森·羅森（Nathan Rosen）一起在1935年發(fā)表了一篇論文，表明量子力學(xué)詮釋似乎無法提供對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述，被稱為EPR悖論。愛因斯坦認(rèn)為處于糾纏狀態(tài)的粒子之間的相關(guān)性正是因?yàn)樗鼈儼撤N“隱藏變量”。

如何用實(shí)驗(yàn)去區(qū)分糾纏狀態(tài)的粒子之間的相關(guān)性是源于量子力學(xué)內(nèi)稟的性質(zhì)，還是源于某種“隱藏變量”呢？

貝爾不等式

1964年，當(dāng)時(shí)在瑞士歐洲核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell）對(duì)于證明隱變量的存在很感興趣，他專門研究核物理，研究量子力學(xué)主要是一種愛好。他發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文，在其中根據(jù)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理，并設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)可以確定這一問題。如果貝爾實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次，所有帶有隱變量的理論都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果之間的相關(guān)性小于等于某個(gè)特定值，這稱為貝爾不等式。如果實(shí)驗(yàn)的結(jié)果違反了這個(gè)不等式，就意味著沒有隱變量，量子力學(xué)對(duì)于糾纏的解釋才是正確的。

要做糾纏的實(shí)驗(yàn)，首先要制備相互糾纏的粒子。美國物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）此前曾假設(shè)在正負(fù)電子相遇時(shí)會(huì)泯滅，并放出一對(duì)光子，這一對(duì)光子就是相互糾纏的。早在1948 年，在美國哥倫比亞大學(xué)吳建雄實(shí)驗(yàn)室中，吳建雄和薩科諾夫首次成功地做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這也是人類第一次制備出相互糾纏的粒子。但是此時(shí)的糾纏粒子不太穩(wěn)定，無法用于驗(yàn)證貝爾不等式。而貝爾最初打算使用自旋電子對(duì)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但由于實(shí)驗(yàn)難度太大一直無法實(shí)現(xiàn)。

克勞瑟的實(shí)驗(yàn)

美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的約翰·克勞瑟和研究生斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）是第一個(gè)將貝爾的實(shí)驗(yàn)從論文帶入實(shí)驗(yàn)室的人。包括理查德·費(fèi)曼在內(nèi)的知名物理學(xué)家都不鼓勵(lì)克勞瑟進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為量子力學(xué)不需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明，但是貝爾親自寫信鼓勵(lì)克勞瑟完成這項(xiàng)研究。

克勞瑟覺得如果不用自旋電子，而是用糾纏的光量子來做貝爾實(shí)驗(yàn)，將更加可行。但是正負(fù)電子對(duì)撞的能量太大，產(chǎn)生的光子頻率太高，也很難實(shí)驗(yàn)。

1972年，克勞瑟和弗里德曼利用光的偏振首次成功地完成了貝爾實(shí)驗(yàn)。他們提出一個(gè)新的辦法來獲得糾纏光子。用紫外線來照射鈣原子，電子有可能被激勵(lì)到高出兩個(gè)能級(jí)的狀態(tài)，然后當(dāng)能量回落時(shí)，就有可能連續(xù)回落兩個(gè)能級(jí)，并有一定概率出現(xiàn)輻射出兩個(gè)相互糾纏的光子。使用鈣原子時(shí)，將輻射出波長分別為 551nm 的綠光光子和 423nm 的藍(lán)光光子。與電子自旋可以取兩個(gè)不同的方向一樣，光量子的極化（偏振）也可以取兩個(gè)相對(duì)于偏光片方向的值之一。

只要發(fā)生測(cè)量，光子的偏振方向的量子態(tài)就會(huì)坍縮成一個(gè)具體的方向，而且由于糾纏，兩個(gè)光子的偏振方向必定是相互垂直的。

所以在實(shí)驗(yàn)中讓兩個(gè)光子各自通過一個(gè)偏振濾光片，這兩個(gè)濾光偏振角度相互垂直，如果兩個(gè)光子都通過偏振片或者都不通過偏振片，則說明兩個(gè)光子的偏振具有相關(guān)性，也就是糾纏的。如果一個(gè)光子通過偏振，而另一個(gè)光子不通過，則兩者之間缺乏相關(guān)性。

在實(shí)驗(yàn)之前，克勞瑟還下了2美元（也有記錄說是500美元）的賭注，賭他的實(shí)驗(yàn)會(huì)證明愛因斯坦是對(duì)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓他失望了，經(jīng)過多次光量子實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果違反了貝爾不等式，在微觀世界中排除了任何“隱變量”的存在。愛因斯坦是錯(cuò)誤的，克勞瑟輸?shù)袅怂馁€注，但贏回了量子力學(xué)的一次巨大勝利。

克勞瑟實(shí)驗(yàn)的局限性之一是它在產(chǎn)生和捕捉光量子方面效率較低。制備糾纏光子對(duì)非常困難，大概一百萬個(gè)光子里能有一對(duì)糾纏光子。因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還是相當(dāng)艱難，花了克勞瑟和弗里德曼很長時(shí)間，累計(jì)試驗(yàn)超過 200 多個(gè)小時(shí)。

更重要的是由于偏光片處于固定角度，因此測(cè)量是預(yù)設(shè)的，這就可能導(dǎo)致這個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)還有隱變量存在的漏洞。接下來就看另一位獲獎(jiǎng)?wù)摺⑻m·阿斯佩如何去填補(bǔ)克勞瑟實(shí)驗(yàn)中的漏洞了。

阿斯佩的實(shí)驗(yàn)

九年以后，也就是1981年，正在攻讀博士的阿斯佩也關(guān)注了貝爾不等式實(shí)驗(yàn)。在他攻讀博士學(xué)位期間，阿斯佩發(fā)表了三篇論文。第一篇論文他把克勞瑟的實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)出來，并大大改進(jìn)克勞瑟的方法，提升獲得糾纏光子的效率，因此他選擇了此時(shí)已經(jīng)較為成熟的激光做為光源去激發(fā)鈣原子，極大地提高了效率。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比當(dāng)年的克勞瑟獲得的數(shù)據(jù)高了好幾個(gè)量級(jí)，同樣是違背了貝爾不等式，也就是證實(shí)了粒子之間存在糾纏，而不是隱變量。

在接下來的第二篇論文中，阿斯佩又利用雙通道的方法來提高光子的利用率，減少此前實(shí)驗(yàn)中的“偵測(cè)漏洞”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也大獲成功，最后以40倍于誤差范圍的偏離違背了貝爾不等式，再一次強(qiáng)有力地證明了量子力學(xué)的正確！

第三篇論文，阿斯佩還將“延遲選擇實(shí)驗(yàn)”與貝爾實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，通過發(fā)射糾纏光子后，再隨機(jī)改變偏振片的角度的方式，進(jìn)一步證明了糾纏光子之間不存在相互傳遞信號(hào)的可能，堵上了隱變量的可能的漏洞。

但是科學(xué)界隨之就對(duì)阿斯佩實(shí)驗(yàn)中的這個(gè)“隨機(jī)性”提出了挑戰(zhàn)，認(rèn)為如果隨機(jī)數(shù)生成器和光子發(fā)射源在過去通過某種隱藏機(jī)制進(jìn)行過交互，觀察者的測(cè)量設(shè)定，甚至光子本身的一些屬性就會(huì)因此受到影響，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到一些本不該存在的相關(guān)性。為了解決這個(gè)問題，近三十年內(nèi)又做了非常多的貝爾實(shí)驗(yàn)，去填補(bǔ)這些可能存在“未知隱變量”的漏洞，安東·蔡林格就是其中的佼佼者。

蔡林格的實(shí)驗(yàn)

在奧地利量子光學(xué)和量子信息研究所的蔡林格所進(jìn)行的這個(gè)實(shí)驗(yàn)是迄今為止最大的一次量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。他的實(shí)驗(yàn)依然使用的是糾纏的光子對(duì)。實(shí)驗(yàn)用6臺(tái)望遠(yuǎn)鏡和一系列光學(xué)設(shè)備收集由一些星系于數(shù)十億年前所發(fā)出的光，將驗(yàn)證范圍擴(kuò)大至了整個(gè)宇宙時(shí)空，試圖將隨機(jī)數(shù)生成工作外包給宇宙本身，以獲取最大的隨機(jī)性。并且生成不同的隨機(jī)數(shù)的星體之間距離數(shù)億光年，相互之間絕不可能以某種遵循相對(duì)論（也就是低于光速）的“隱變量”信號(hào)互通信息。

在科學(xué)史上，蔡林格的實(shí)驗(yàn)被稱為“維也納屋頂實(shí)驗(yàn)（the Vienna rooftop experiment）”。他們將糾纏光子源放置在了維也納大學(xué)化學(xué)和物理研究所的屋頂上，而光子的檢測(cè)端分別位于兩座建筑中，相距1700米。每當(dāng)夜晚降臨，位于兩地的研究人員就會(huì)用小型望遠(yuǎn)鏡分別觀察天空中南北兩個(gè)方向上的恒星，而望遠(yuǎn)鏡所收集到的星光則會(huì)被傳給一個(gè)測(cè)量波長的儀器，如果星光的波長小于700納米，儀器會(huì)以一種方式生成結(jié)果（比如生成數(shù)字1），反之亦然。這就是宇宙星體所放出的光子來隨機(jī)生成0和1來設(shè)置測(cè)量參數(shù)。

而與之前所有的實(shí)驗(yàn)一樣，維也納屋頂實(shí)驗(yàn)也表明量子力學(xué)正確，以及在光子到達(dá)地球的 600 年左右的時(shí)間里，不存在能對(duì)觀測(cè)設(shè)定構(gòu)成影響的“隱變量”。蔡林格用這種方法，成為第一個(gè)為糾纏光子貝爾實(shí)驗(yàn)堵住所有的隱變量漏洞的人。

值得一提的是，中國的潘建偉院士在當(dāng)時(shí)是蔡林格的主要助手。由于糾纏光子在幾乎真空的太空自由空間中可以暢行很遠(yuǎn)的距離，因此，將兩個(gè)糾纏光子的檢測(cè)端進(jìn)一步分開，能更強(qiáng)的堵住貝爾實(shí)驗(yàn)的漏洞。2017年6月，潘建偉院士的中國團(tuán)隊(duì)通過墨子號(hào)量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星將糾纏光子對(duì)分發(fā)到德令哈和麗江兩地，實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了1203公里的量子糾纏最遠(yuǎn)距離記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再一次表明了貝爾不等式不成立，這項(xiàng)成果以封面論文的形式發(fā)表在《Science》上。

此外作為量子領(lǐng)域的泰斗級(jí)宗師，蔡林格的貢獻(xiàn)還包括首次實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。這是一種利用分散量子糾纏與一些物理訊息（physical information）的轉(zhuǎn)換來傳送量子態(tài)至任意距離的位置的技術(shù)，是一種全新的通信方式。它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息而是量子態(tài)攜帶的量子信息，在量子糾纏的幫助下，待傳輸?shù)牧孔討B(tài)如同經(jīng)歷了科幻小說中描寫的“超時(shí)空傳輸”，在一個(gè)地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方神秘地出現(xiàn)。

1997年，蔡林格的研究團(tuán)隊(duì)在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱形傳態(tài)距離提高到了600米。

總結(jié)

克勞澤、阿斯佩、蔡林格這三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的實(shí)驗(yàn)，前后歷時(shí)半個(gè)世紀(jì)，在貝爾天才般的數(shù)學(xué)洞察和嚴(yán)密推理的指引下，從實(shí)驗(yàn)的角度揭示了我們的宇宙本質(zhì)。它要么是非確定性真實(shí)的，這意味著微觀粒子的狀態(tài)在被測(cè)量之前是不確定的概率性存在；要么是非局域性的，這意味著微觀粒子即使在距離很大的情況下也能瞬時(shí)相互影響。這些違反我們宏觀世界直覺的現(xiàn)象，為今天的量子計(jì)算和量子通信等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

最后回到2022年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)理由：“對(duì)糾纏光子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，證明了對(duì)貝爾不等式的違反和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)”。這個(gè)理由再一次證明了光學(xué)和光量子對(duì)于量子領(lǐng)域乃至整個(gè)物理學(xué)的基本性和革命性影響。

光量子一直是研究量子力學(xué)，推進(jìn)量子信息科學(xué)和開發(fā)量子技術(shù)的旗艦系統(tǒng)。正是對(duì)光的本質(zhì)的探尋，普朗克對(duì)于黑體輻射的光譜分析、愛因斯坦對(duì)于光電效應(yīng)的研究催生了量子力學(xué)，而后科學(xué)史上一系列經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，包括雙縫干涉實(shí)驗(yàn)、惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)、以及本次諾獎(jiǎng)的貝爾實(shí)驗(yàn)等，都在逐步揭示了光和其它物質(zhì)在量子世界中的波粒二象性，干涉、疊加、糾纏等展示出量子世界那迥異而違反直覺的規(guī)律。而以激光為代表的光學(xué)技術(shù)所帶來的加工、測(cè)量、操縱等全方位的工程技術(shù)進(jìn)步，更是促進(jìn)了物理、天文學(xué)、宇宙學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的跨越式發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至少有40多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的成就與光學(xué)相關(guān)。

時(shí)至今日，量子信息科技的發(fā)展一日千里，量子通信已經(jīng)走向?qū)嵱茫?strong>基于光量子的量子通信已經(jīng)開始形成網(wǎng)絡(luò)。而隨著基礎(chǔ)技術(shù)和理論方案的不斷發(fā)展，光量子計(jì)算也取得了巨大進(jìn)展，代表了一條令人興奮的中大規(guī)模處理之路，甚至被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)百萬量子比特規(guī)模量子計(jì)算的必由之路。

隨著近年來量子光源的改進(jìn)、光量子集成平臺(tái)的發(fā)展，改進(jìn)探測(cè)器，新穎的抗噪性理論方法，進(jìn)一步鞏固了光量子作為量子信息處理和量子網(wǎng)絡(luò)的主要地位，未來光量子必將大有可為。

附：2021年諾獎(jiǎng)回顧

此外，在去年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)將一半頒給了真鍋淑郎（Syukuro Manabe）克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）表彰他們“地球氣候的物理建模，量化可變性并可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”。另一半頒給了喬治·帕里西 （Giorgio Parisi）表彰他“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動(dòng)的相互作用”。

帕里西研究工作涉及自旋玻璃理論，用來解釋混沌邊緣的復(fù)雜現(xiàn)象。帕里西的自旋玻璃理論是在伊辛模型的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成，深刻地揭示了無序體系中的隱藏對(duì)稱性。伊辛模型很好地給這些混沌與秩序邊緣的復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，具備了很廣的跨學(xué)科應(yīng)用，如金融股票市場、種族隔離、政治選擇等不同的復(fù)雜性問題。伊辛模型的可以用來建模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而搭建可適應(yīng)環(huán)境、不斷學(xué)習(xí)的機(jī)器（Hopfield網(wǎng)絡(luò)或玻爾茲曼機(jī)）。帕里西也正是因?yàn)椤罢业搅藷o序復(fù)雜系統(tǒng)中隱藏的模式”而獲得了2021年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

文：王珩

編輯：慕一