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),诺⻉尔奖委员会宣布将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⻉尔不等式,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。诺⻉尔物理学委员会主席Anders Irb?ck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。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⻉尔不等式测试,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⻉尔物理学奖。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朝相反⽅向⻜奔,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。⽽⻉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。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。⻉尔不等式的诞⽣,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。
虽然⻉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⻉尔定理实验,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⻉尔定理实验,实验结果违反⻉尔定理。1998年,Anton Zeilinger等⼈在奥地利因斯布鲁克⼤学完成⻉尔定理实验,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⻉尔不等式的实验。
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⻉尔不等式的实验,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,⼤⻉尔实验(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⻉尔不等式检验实验。
⼤⻉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,⼤⻉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。