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量子力学再登顶,详细解读2022年物理学诺奖

瑞典当地时间2022年10月4日11时45分(北京时间10月4日17时45分),诺贝尔奖委员会宣布将2022年物理学奖颁给法国物理学家Alain Aspect、美国物理学家John F. Clauser、奥地利物理学家Anton Zeilinger以表彰“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式,开创了量子信息学”。

诺奖委员会在其官方介绍中称,量子力学现在已拥有很广阔的研究领域,包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbäck说:“越来越明显的是,一种新的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者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”。

北京计算科学研究中心教授薛鹏提前猜中了今年的获奖者,她向“返朴”表示,这三位获奖者实至名归。下文是薛教授对今年获奖工作的科普介绍。

 

撰文 | 薛鹏

 

在2010年,法国的阿兰·艾斯佩特(Alain Aspect)、美国的约翰·柯罗瑟(John Clauser)、和奥地利的安东·吉林哲(Anton Zeilinger)三位物理学家“因其在量子物理学基础上的基本概念和实验贡献,特别是一系列日益复杂的贝尔不等式测试,而获得沃尔夫奖(Wolf Prize)”。

美国物理联合会旗下科普网站Inside Science于2019,2020,2021连续三年预测该三位物理学家奖获得诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦认为量子纠缠这种超距相互作用是不可思议的,违背了狭义相对论。与其在普林斯顿的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一个思想实验,就是著名的EPR佯谬。描述了A、B为自旋1/2的粒子,初始总自旋为零。假设粒子有两种可能的自旋,分别是 |上> 和 |下>,那么,如果粒子A 的自旋为 |上>,粒子 B 的自旋便一定是 |下>,才能保持总体守恒,反之亦然。这时我们说,这两个粒子构成了量子纠缠态。

两个粒子 A 和 B 朝相反方向飞奔,它们相距越来越远,越来越远……。无论相距多远,它们应该永远是 |上>|下> 关联的。两边分别由观察者 Alice 和 Bob 对两个粒子进行测量。根据量子力学的说法,只要Alice 和Bob 还没有进行测量,每一个粒子都应该处于某种叠加态,比如说,|上>、|下> 各为 50% 概率的叠加态。然后,如果 Alice 对 A 进行测量,A 的叠加态便在一瞬间坍缩了,比如,坍缩成了 |上>。现在,问题就来了:既然 Alice 已经测量到 A 为 |上>,因为守恒的缘故,B 就一定要为 |下>。但是,此时的 A 和 B 之间已经相隔非常遥远,比如说几万光年吧,按照量子力学的理论,B 也应该是|上>和|下>各一半的概率,为什么它能够做到总是选择|下>呢?除非A 粒子和B粒子之间有某种方式及时地“互通消息”?即使假设它们能够互相感知,那也似乎是一种超距瞬时的信号!而这超距作用又是与相对论中光速不可超越相违背。于是,这就构成了佯谬。

因此他认为量子力学是不完备的,他希望建立一个更普适的局域实在论理论来弥补量子理论的不足,消除超距作用。作为爱因斯坦思想的继承人,玻姆在1952年在引入了 “隐变量”,在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。下面就是要实验验证究竟是量子力学理论正确且完备还是局域隐变量理论正确且完备。

而贝尔定理的实验验证是一个物理实验,旨在测试量子力学理论与局域隐变量理论哪个正确。1964年,John Bell定义了一个可观测量,并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2根号2。而用量子力学理论,可以得出其最大值可以到2。一旦实验测量的结果大于2,就意味着局域隐变量理论是错误的。

贝尔不等式的诞生,宣告了量子力学理论的局域性争议,从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。虽然贝尔作为一个爱因斯坦的追随者,其研究隐变量理论的初衷是要证明量子力学的非局域性有误,可后来所有的实验都表明局域隐变量理论预言有误,而量子理论的预言与实验一致。

1972年,John Clauser和Stuart Freedman在加州大学柏克莱分校完成第一次贝尔定理实验,因存在定域性漏洞,即纠缠的粒子之间距离太小,不足以说明纠缠的非局域性,结果不具有说服力。

1982年,Alan Aspect等人在巴黎第十一大学改进Clauser和Freedman贝尔定理实验,实验结果违反贝尔定理。

1998年,Anton Zeilinger等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验,彻底排除定域性漏洞,实验结果具有决定性。

2015年,荷兰Delft技术大学的Ronald Hanson研究组报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。要避免局域性漏洞,只需把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的两个实验室。利用纠缠光子对和纠缠交换技术,他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒,而完成一次实验的时间为4.18微秒,比光通信时间少90纳秒,因此解决了局域性漏洞。此外,色心的测量效率高达96%,测量漏洞也被堵上了。总之,他们声称实现了无漏洞的验证贝尔不等式的实验,在96%的置信度(2.1个标准差)上支持量子理论,从而证伪了局域的隐变量理论。

2016年,大贝尔实验(the Big Bell Test)展开,并召集到世界各地超过10万名志愿者。在实验中,所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数,在过关游戏中快速随机地按下0或者1,12小时内共持续产生每秒逾1000比特的数据流,全部记录在互联网云端,并被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队,用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验。大贝尔实验相信人类拥有真正的自由意志,通过大量参与者的自由意志,大贝尔实验在更广泛的范围内关闭自由选择漏洞,强烈否定爱因斯坦的定域性原理。

 



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