授予量子纠缠研究 天目新闻对话专家解读诺奖物理学奖

获奖者肖像

来吧，今天让我们一起懂点量子力学。

北京时间10月4日17时45分，2022年诺贝尔物理学奖揭晓，三位研究量子纠缠的科学奖获奖。

法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），美国科学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）以及奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）利用纠缠光子进行实验，证明了贝尔不等式不成立，并以此开创量子信息科学。

量子纠缠很“神秘”，爱因斯坦曾将这种现象称之为“鬼魅般的超距作用”。量子纠缠也很“简单”，通俗地说，就是两个“纠缠”的量子，无论被分隔到多么遥远，都可以“保持联系”，并瞬时共享它们的物理状态。

关于量子纠缠的研究有何意义？天目新闻记者采访了之江实验室量子传感研究中心研究专家董莹。

量子纠缠示意图

“鬼魅般的超距作用”

量子的概念，与分子、原子等“粒子”不同，它是最小的、不可再分割的基本单元。比如，“光的量子”就是光的最小能量单元，简称光子。

在量子的世界，当两个量子发生“纠缠”，无论相隔多远，如果一个量子的状态发生变化，另一个也会“瞬时”发生相应变化。

早在上世纪30年代，爱因斯坦也注意到了这种现象，他认为这种行为违背了定域实在论，称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。

按照经典物理规律，信号的传播速度不能超过光速。董莹表示，但在量子物理领域，当两个量子发生“纠缠”时，这种“瞬时”速度甚至超过了“光速”，会“同步”发生。

物理学家们怀疑，按照经典物理论，是某种隐藏的因素导致了这样的结果，因此假设存在隐变量。但到底隐变量是什么，不得而知。

直到20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）提出了以他的名字命名的数学不等式，可以应用于任何由两个相互纠缠的粒子所组成的量子系统，通过实验结果去验证。

“在经典力学中，即使存在隐变量，这个不等式也严格成立；而在量子力学中，这个不等式则有可能不成立。”董莹说。

量子纠缠示意图

三位科学家做了什么？

今年获奖的三位科学家中，用一句话概括，就是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。

上世纪70年代，约翰·克劳泽进行了一个实际的实验，来检验贝尔不等式。他向相反的方向发送一对纠缠粒子，并进行测量。实验的结果违反了贝尔不等式，并与量子力学的预测一致。这意味隐变量的理论无法取代量子力学。

不过这个实验存在一些漏洞，在制备和捕获粒子方面效率低下，测量也是预设的。

在这样的背景下，1982年，阿兰·阿斯佩对实验装置进行了改进，可以检测到更多的光子。相关的测量结果也更加明确了，量子力学是正确的，不存在隐变量。

对量子态及其所有属性的测量和操纵，具有巨大的应用潜力。在对量子纠缠等特性的应用层面，安东·塞林格和他的同事们是第一个“吃螃蟹的人”，发现纠缠的量子态具有存储、传输和处理信息的潜力。

董莹说，通过精密的工具和一系列的实验，研究小组展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象——即利用了量子纠缠特性，在一定距离上，可以使得量子态从一个粒子移动到另一个粒子上。

量子纠缠示意图

进入新的量子信息时代

值得一提的是，三位获奖科学家之一，安东·塞林格是中国科学院外籍院士，也是中国物理学家、中国科学院院士潘建伟在奥地利学习时的老师。

1997年，安东·塞林格和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的开山之作。潘建伟也是这一个实验的重要参与者之一。

沿着量子纠缠的基础理论研究，能带来哪些应用的空间？

2018年，潘建伟团队对外公布，利用世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”，实现了相距7600公里的中国和奥地利完成量子保密通信。这一探索正是与导师安东·塞林格教授合作完成。

在量子纠缠现象中，如果赋予量子态中的信息以含义，将有广阔的应用空间。

“不仅可以用于特殊信息的传递，还能用于量子计算。”同时，董莹还以电子为例，分享了个略带“科幻感”应用，“如果想把地球上的电子搬到火星，一种方法是把实体运输过去，还有一种方法是利用量子纠缠，把地球上电子的信息状态传给火星上的另一个电子，也就相当于把实物传递了过去了。”

董莹还表示，自己所在的之江实验室也在做量子精密测量方面的研究，利用量子纠缠原理，可以让测量灵敏度实现质的提升。

“众所周知，用100台测量仪器做实验可以减小误差。但如果可以让100台仪器实现“纠缠”，再去做实验，则可以进一步将测量灵敏度再提升10倍，所以纠缠还是实现精密测量的有利工具。”董莹说。

如今，在这些用来操纵纠缠粒子系统的新技术的帮助下，我们正在进入一个新的量子信息时代。

（图片来自诺奖官网）