一直以來，愛因斯坦都不相信量子力學的理論，他總認為試驗中隱含了某些不為我們所知的變量。但現(xiàn)如今，在三位物理學家的多年努力下，終于確認了量子力學的確定性。

當?shù)貢r間10月4日，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·克勞澤（John?Clauser）以及奧地利物理學家安東·塞林格（Anton?Zeilinger），以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式、開創(chuàng)量子信息科學”研究方面所作出的貢獻。

▲2022年諾貝爾物理學獎獲得者

量子糾纏與貝爾不等式

我們都知道，愛因斯坦是20世紀最偉大的物理學家。他憑借一己之力提出了相對論，同時也是量子論早期的締造者之一。由于量子力學和相對論是現(xiàn)代物理學的兩大支柱理論，因此愛因斯坦的偉大自然不必多說。

但是，偉大的愛因斯坦也會犯錯，其中最典型的就是他不接受量子力學，那句著名的“上帝不擲骰子”就是出自愛因斯坦。

1935年，愛因斯坦與他的手下共同寫了一篇論文，以思想實驗的方式對量子力學的合理性提出了質疑（即著名的EPR佯謬）。愛因斯坦從相對論視角出發(fā)，提出了一個局域實在論觀點：

? 物質是獨立于觀測者而客觀存在的（實在論）；

? 兩粒子間任何的關聯(lián)都不可以超過光速（局域論）。

當時的物理學界主要分為兩大派：一派是以玻爾為首的哥本哈根學派，另一派就是愛因斯坦和薛定諤為首的反對派。

愛因斯坦認為，一定有一個隱藏在量子力學背后的物理規(guī)律決定了粒子們的行為，這個規(guī)律應該是符合局域實在論的。而量子力學不符合局域實在論，所以是不完備的。

而玻爾則認為，量子力學是正確的，在它背后并沒有那個所謂的“隱變量理論”，量子力學的概率性本身就是對微觀世界完整的描述，即上帝是擲骰子的。

于是，雙方在理論上的爭論持續(xù)了多年，而這個問題也被歸為哲學問題。直到1964年，物理學家約翰·貝爾（John Bell）提出“貝爾不等式”，才將上述扯不清的哲學問題變成了實驗物理的問題，即世界是非定域性的，不可以用局域變量來確定。

為量子糾纏正名

為了證明量子力學違反了貝爾不等式，上世紀70年代，約翰·克勞澤首先完成了檢驗貝爾不等式的實驗。

但他的實驗存在一些漏洞，于是阿蘭·阿斯佩又用鈣原子激發(fā)產生的兩個可見光子，完成了更為精確和幾乎無漏洞的貝爾不等式實驗驗證。

隨后，通過精致的工具和一系列實驗，安東·塞林格也完成了更多糾纏粒子的無漏洞貝爾不等式實驗驗證。

▲約翰·克勞澤用一種特殊的光照射鈣原子之后，可以發(fā)射糾纏光子。他在兩側用濾光片測量光子的偏振。經過一系列測量，證明它們違反了貝爾不等式。

▲阿蘭·阿斯佩開發(fā)了這個實驗，通過一種新的激發(fā)原子的方法，使它們以更高的速率發(fā)射糾纏光子，并且可以在不同的設置之間切換，這樣系統(tǒng)就不會包含任何可能影響結果的預先信息。

▲安東·塞林格對貝爾不等式進行了更多測試，他通過將激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用隨機數(shù)切換測量設置。這項實驗使用來自遙遠星系的信號來控制濾光片，并確保信號不會相互影響。

然而，所有實驗結果均表明，量子糾纏是真實存在的！

他們通過精巧的實驗設計，不僅證明了量子力學違反了貝爾不等式，同時也說明了愛因斯坦對“量子糾纏”提出的觀點是錯誤的，更為今天的量子計算、量子通信等科技奠定了基礎。

▲量子糾纏示意圖

量子糾纏顛覆傳統(tǒng)世界

所謂“量子糾纏”，簡單來說它就好比是量子世界中存在一種類似“心靈感應”的現(xiàn)象，這一概念來源于愛因斯坦等人在1935年提出的EPR悖論。這個悖論顯示，在量子力學中，兩個曾經相互作用過的粒子，無論相隔多遠，其量子狀態(tài)仍有能力“糾纏”在一起，共享同一個整體的物理狀態(tài)。

現(xiàn)如今，量子力學已經開始得到應用，并產生了很廣闊的研究領域，其包括量子計算機、量子網絡和更為安全的量子加密通信。如果從應用層面上說，這些關于量子糾纏的研究奠定了量子信息學科的基礎，那么在理論層面上，它們則加深了對量子理論基礎的深層次理解，打開了多世界理論、退相干理論等新興理論的研究空間。

另外，從實踐的角度來看，量子糾纏所代表的其實是一個巨大資源?？茖W家們對量子糾纏漏洞的不滿，正源于每一階段可應用范圍的不夠。而此次獲得諾貝爾物理學獎的三位物理學家長期對量子力學的研究工作，最終為量子糾纏正了名，這一成果對現(xiàn)代科技的意義是不容小覷的。

正如諾貝爾物理學委員會主席安德斯·伊爾貝克所言：“越來越清楚的是，一種新型的量子技術正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎者在糾纏態(tài)方面的工作非常重要，甚至超出了關于量子力學解釋的基本問題。”