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2022诺贝尔物理学奖结果出炉,量子纠缠研究摘得桂冠

发表时间:2022-10-05 15:04作者:海丰汇小丰

北京时间2022年10月4日,2022年诺贝尔物理学奖宣布颁发给法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·克劳瑟(John F. Clauser)、奥地利量子物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)三人,以表彰他们“对纠缠光子进行的实验,证明了对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。


在介绍2022年诺贝尔物理学奖之前,需要对量子纠缠有个简单的了解。

在量子力学中,量子纠缠被解释为一组粒子发生相互关联而必须以整体方式去描述的物理现象,该组中每个粒子的量子状态均不能独立于其他粒子的状态来描述。如果有两个粒子发生了量子纠缠,观察者通过“观测”确定了一个粒子的量子态,另一个粒子的量子态会同时发生坍缩而确定下来,无论这两个粒子之间的距离相隔多远(比如数亿光年之外),这被称作“非定域性”。

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爱因斯坦对量子力学的这种“非定域性”持反对态度,提出的广义相对论认为世界是连续的,客观的,认为处于纠缠状态的粒子之间的相关性正是因为它们包含某种“隐藏变量”。

而玻尔、薛定谔等著名科学家对量子纠缠的非定域性持支持态度。他们认为世界是不连续的是一份一份的,最小单位称之为量子,而宏观系统如人类对微观系统的观测会让微观系统状态坍塌。著名的“薛定谔的猫”即由此产生。

而将这个争论付诸实验的是贝尔不等式的提出。北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)根据严格的数学推理设计了一种实验,所有带有隐变量的理论都会导致结果之间的相关性小于等于某个特定值,这称为贝尔不等式。如果实验的结果违反了这个不等式,就意味着没有隐变量,量子力学对于纠缠的解释才是正确的。


1972年,克劳瑟和弗里德曼利用光的偏振首次成功地完成了贝尔实验。经过多次光量子实验,其结果违反了贝尔不等式,在微观世界中排除了任何“隐变量”的存在。但这个测量还存在漏洞。

1981年,阿斯佩发表了三篇论文,第一篇论文他把克劳瑟的实验复现出来,并大大改进克劳瑟的方法,提升获得纠缠光子的效率,同样是违背了贝尔不等式,也就是证实了粒子之间存在纠缠,而不是隐变量;第二篇论文中,阿斯佩又利用双通道的方法来提高光子的利用率,减少此前实验中的“侦测漏洞”。这个实验也大获成功,最后以40倍于误差范围的偏离违背了贝尔不等式,再一次强有力地证明了量子力学的正确;第三篇论文,阿斯佩还将“延迟选择实验”与贝尔实验结合起来,通过发射纠缠光子后,再随机改变偏振片的角度的方式,进一步证明了纠缠光子之间不存在相互传递信号的可能,堵上了隐变量的可能的漏洞。但是他的实验还有一个“漏洞”,如果随机数生成器和光子发射源在过去通过某种隐藏机制进行过交互,观察者的测量设定,甚至光子本身的一些属性就会因此受到影响,进而使实验观测到一些本不该存在的相关性。

安东·蔡林格维进行了“维亚纳屋顶实验”,表明量子力学正确,不存在能对观测设定构成影响的“隐变量”。蔡林格成为第一个为纠缠光子贝尔实验堵住所有的隐变量漏洞的人。

简单概括,就是这三位物理学家证实了不受距离限制的瞬间信息传送真实存在,支持了量子纠缠的非定域性。

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