2022 年 10 月 4 日北京時間 17 時 45 分許，2022 年諾貝爾物理學獎授予法國學者阿蘭 · 阿斯佩（Alain Aspect） ，美國學者約翰 · 克勞澤（John Clauser）和奧地利學者安東 · 蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們 " 用糾纏光子進行實驗，證偽貝爾不等式，開創量子信息科學"。

阿蘭 · 阿斯佩（Alain Aspect）1947 年生于法國阿讓，1983 年獲法國巴黎第十一大學博士學位，現任巴黎薩克雷大學和巴黎綜合理工學院教授。

約翰 · 克勞澤（John Clauser）1942 年生于美國加利福尼亞州帕薩迪納，1969 年獲美國哥倫比亞大學博士學位。美國 J．F Clauser ＆ Assoc 公司創始人、研究物理學家。

安東 · 蔡林格（Anton Zeilinger）1945 年出生于奧地利因河地區里德。1971 年在奧地利維也納大學獲得博士學位，現為維也納大學教授。

量子力學并不僅僅是一個理論或哲學問題，更擁有廣泛的應用基礎。已經有大量研究正專注于利用單個粒子系統的特殊屬性來建造量子計算機、改進測量方法，以及構建量子網絡和安全的量子加密通信。

在量子力學中允許出現這樣一種情況：無論相距多遠，兩個或多個粒子能夠共享物理狀態，這被稱為量子糾纏。自從該理論提出以來，它一直是量子力學中爭論最多的元素之一。阿爾伯特 · 愛因斯坦稱之為 " 幽靈般的超距作用 "，而薛定諤說這是量子力學最重要的特征。

今年的獲獎者探索了這些糾纏的量子態，他們的實驗為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。

超越日常體驗

當兩個粒子處于糾纏態時，人們只要測量其中一個粒子的特性，那么就可以立即確定另一個粒子的等效測量結果。

乍一看，這也許并不奇怪。我們可以換個角度，將粒子類比成黑色和白色的球。想象一個實驗，一個黑球朝一個方向發送，另一個白球朝相反方向發送。如果觀察者接住一個球并看到它是白色的，那么可以立即得知向另一個方向行進的球是黑色的。

量子力學如此特別的原因在于，在被測量之前，量子力學中的 " 球 " 并沒有確定的狀態。就好像兩個球都是灰色的，直到有人看到其中一個。這時，這個球可能會呈現為黑色，也可能呈現為白色。而另一個球就會立即變成相反的顏色。

但問題在于，我們怎么知道這些球最開始的顏色是不固定的呢？即使它們看起來是灰色的，但也許它們含有一個隱藏的標簽，標注了當有人看到它們時，這些球應該變成哪種顏色。

量子力學中相互糾纏的粒子對可以比作向相反方向拋出的相反顏色的球。當鮑勃接住一個球并看到它是黑色的時候，他能立即知道愛麗絲接住了一個白色的球。關于隱變量的理論認為，這些球總是包含了關于顯示什么顏色的隱藏信息。然而，量子力學認為，在有人看到它們之前，這些球是灰色的，然后其中一個隨機變成白色，而另一個變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實驗可以區分這兩種情況——實驗證明，量子力學的描述是正確的。

獲得今年諾貝爾物理學獎的研究的一個重要部分是貝爾不等式（Bell inequalities）。貝爾不等式使得科學家可以通過實驗，區分量子力學和隱變量這兩種理論。實驗表明，正如量子力學所預測的那樣，這些球是灰色的，沒有包含任何隱藏信息。在實驗中，哪個球變成黑色、哪個變成白色，是概率決定的。

量子力學最重要的資源

糾纏的量子態提供了存儲、傳輸和處理信息的新可能性。

如果一對相互糾纏的粒子同時向相反的方向行進，其中一個粒子與第三個粒子發生糾纏，有趣的現象就會出現。它們將轉化為一個新的共享態。第三個粒子會失去獨立性，但它的量子態屬性會轉移到與它糾纏的粒子（原始糾纏粒子對之一）上。糾纏現在已從原始對轉移到單獨的粒子。這種將未知量子態從一個粒子轉移到另一個粒子的方式被稱為量子隱形傳態。1997 年， 安東 · 蔡林格和他的同事，首次實現了量子隱形傳態的實驗。

值得注意的是，量子隱形傳態是將量子信息從一個系統傳輸到另一個系統時，不會損失任何信息的唯一方法。想要測量一個量子系統的所有屬性，而后傳輸這些信息并以此來重建整個系統是絕對不可能的。量子系統可以用概率疊加的量子態來完全描述，這意味著一個量子系統同時包含了多個量子態，每一個量子態都有一定的概率在測量時出現。

而一旦進行測量，那么量子系統就會坍縮為一個量子態，也就是通過測量系統觀測到的態。而量子系統所有與測量得到的末態相疊加的態，在觀測后將完全消失，任何方法都不能再對其進行測量。然而，通過量子隱形傳態，我們可以將完全未知的量子態信息完好無損地轉移到新的粒子中，但代價是破壞原始粒子所攜帶的信息。

科學家通過實驗證明了這一點，下一步就是嘗試兩對糾纏粒子間的量子隱形傳態。如果兩對糾纏的粒子對中的一個粒子，以特定方式聚集在一起，那么兩對中未受干擾的粒子可能會發生糾纏，盡管它們從未相互接觸。1998 年，安東 · 蔡林格的研究小組首次證明了粒子對間糾纏的交換。

糾纏的光子對可以通過光纖以相反的方向傳輸，并在量子網絡中充當信號。兩組糾纏粒子對間發生的糾纏，使得擴展量子網絡節點之間的距離成為可能。通常，光子在被吸收或失去其量子特性前，能通過光纖傳輸的距離是有限的。雖然普通的光信號可以通過光纖一路放大，但這不適用于糾纏的光子對。光信號放大器需要捕獲和測量光子來實現放大作用，這些操作正破壞了光子對的糾纏。而粒子對間的糾纏交換意味著可以將原始的量子態傳輸得更遠，實現相比其他方式更長的超遠距離傳輸。

兩對糾纏的粒子對從不同的來源發射。每對中的一個粒子（圖中的 2 和 3）通過一種特殊的方式發生糾纏。由此，另外兩個粒子（圖中的 1 和 4）也將發生糾纏。這樣，兩個從未接觸過的粒子就能糾纏到一起。

從佯謬到不等式

事實上，這一進展基于多年的研究發展。它始于令人難以置信的發現：量子力學允許將單個量子系統劃分為彼此分離，同時仍表現為一個整體的多個單元。

這違背了所有關于因果和現實本質的常見觀點。一個系統如何在受到其他地方系統影響的同時，卻不受它傳遞的信號影響？物理規律決定了，信號的傳播速度不能超過光速——但在量子力學中，似乎根本不需要信號來連接擴展系統的不同部分。

阿爾伯特 · 愛因斯坦認為這是不可行的。他和同事鮑里斯 · 波多爾斯基（Boris Podolsky）、內森 · 羅森（Nathan Rosen）一起研究了這種現象。他們在 1935 年提出了他們的推論：量子力學似乎沒有提供對現實的完整描述。根據研究人員的姓名首字母，這個推論被稱為 EPR 佯謬。

問題是，是否可以對世界進行更完整的描述，而量子力學只是其中的一部分。例如一種解釋方法是，粒子總是攜帶了一些隱藏的信息，這些信息表明它們將顯示什么樣的實驗結果。以此推測，所有測量行為都包含了測量發生位置的信息。這種類型的信息通常稱為局域隱變量。

在歐洲核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭物理學家約翰 · 斯圖爾特 · 貝爾 ( John Stewart Bell，1928-1990 ) 仔細研究了這個問題。他發現有一種實驗可以驗證世界是否完全符合量子力學規律，或者是否可以有另一種帶有隱變量的描述。如果這個實驗重復多次，所有隱變量相關的理論都顯示出結果之間的相關性必須低于或至多等于某個特定值，也就是貝爾不等式。

然而，量子力學可以違反這個不等式，也就是結果之間的相關性可以大于特定值。

1960 年代，約翰 · 克勞澤還是一名學生時，他就對量子力學的基礎知識產生了興趣。當他讀到了約翰 · 貝爾的想法后，他忍不住不停地思考這種方法的可能性。最終，他和其他三名研究人員提出了一個可以在現實中實現的實驗，來測試貝爾不等式。

該實驗涉及向相反方向發送一對糾纏粒子。在實踐中，使用了具有偏振特性的光子。當粒子被發射時，極化方向是不確定的，唯一可以確定的是粒子具有平行極化。

利用允許通過特定方向偏振光的濾光片，就可以研究光子的偏振特性。許多太陽鏡中就用到了這種濾光片，它可以阻擋在某個平面上被偏振的光，例如水反射的光就包含了偏振光。

如果實驗中的兩個粒子都被發送到平行放置的濾光片，比如兩個垂直放置的濾光片，如果一個粒子能夠通過——那么另一個也會通過。而如果兩個濾光片彼此成直角，那么其中一個粒子會被阻擋，而另一個將通過。關鍵在于，使用以不同傾角放置的濾光片進行測量時，結果可能會有所不同：有時兩個粒子都能通過，有時只有一個，有時沒有。兩個粒子同時通過濾光片的概率取決于濾光片之間的角度。

量子力學導致了測量結果之間的相關性。一個粒子通過濾光片的可能性，取決于另一個粒子在進行實驗時濾光片設置的角度。這意味著，在某些角度時，兩個測量結果的相關性將違反貝爾不等式。而如果結果由隱變量控制，那么在粒子發射時就已經能預先確定，結果間也會具有更強的相關性。

被違反的不等式

約翰 · 克勞澤立即開始實驗。他建造了一個裝置，一次發射兩個糾纏光子，每個都打向檢測偏振的濾光片。1972 年，他與博士生斯圖爾特 · 弗里德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一個明顯違反貝爾不等式的結果，并與量子力學的預測一致。

在接下來的幾年里，約翰 · 克勞澤和其他物理學家繼續討論這個實驗及其局限性。局限之一是，該實驗在制備和捕獲粒子方面效率低下。而且由于測量是預先設置好的，濾光片的角度是固定的，因此存在漏洞，觀察者可以質疑：如果實驗裝置碰巧以某種方式選擇了具有強相關性的粒子，而沒有檢測到其他粒子，該怎么辦？如果是這樣，粒子仍然可能攜帶隱藏的信息。

這個特殊的漏洞難以消除，因為糾纏在一起的量子態是如此脆弱，難以管理。因此有必要處理單個光子。當時還在法國讀博的阿蘭 · 阿斯佩沒有被困難嚇倒，他建立了一個新版的實驗，并迭代改進了幾次。在他的實驗中，他可以記錄下哪些光子通過了濾光片、哪些沒有。這意味著有更多光子被檢測到了，測量效果更好。

在他最終版本的測試中，他還能夠將光子引導到兩個角度不同的濾光片。這種策略是一種機制，可以在糾纏光子對被制備后，改變它的方向。濾光片只有六米遠，因此改變需要在幾個十億分之一秒的時間內完成。如果關于光子將到達哪個濾光片的信息會影響它從光源發射的方式，那么它就不會到達該濾光片。關于實驗另一側的濾光片的信息也不能到達另一側并影響那里的測量結果。

阿蘭 · 阿斯佩通過這種方式補上了一個重要的漏洞，并提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，不存在隱變量。

量子信息時代

這些實驗以及類似的實驗為當前對量子信息科學的深入研究奠定了基礎。

能夠操縱和管理量子態及其所有屬性使我們能夠實現一種工具，而后者具有我們預料之外的潛力。這是量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法的基礎。現在，具有兩個以上粒子的系統（所有粒子都糾纏在一起）正在進入實際應用，安東 · 蔡林格和他的同事們是第一個探索的。

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

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

安東 · 蔡林格后來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，并使用隨機數切換測量設置。一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。

這些日趨完善的工具讓我們離實際應用更近了。現在已經證明，通過數十千米光纖發送的光子之間，以及衛星和地面站的光子之間都能建立糾纏態。在很短的時間內，世界各地的研究人員發現了許多利用量子力學最強大特性的新方法。

第一次量子革命給了我們晶體管和激光，但由于可以操縱糾纏量子系統的現代工具，我們現在正在進入一個新時代。