2022年诺贝尔物理学奖获得者都干了什么—研究量子纠缠的物理学家

2022年诺贝尔物理学奖授予致力于研究量子怪异性的科学家，约翰·克劳泽、阿兰·阿斯佩和安东·蔡林格，三人的工作成果表明：自然界比爱因斯坦敢于想象的还要怪异。他们各自独立开展的工作是在探索量子力学的基础原理，即支配量子世界行为的怪诞法则。

通过50年的实验，他们证实了一种效应的现实性，测量一对相距很远的粒子中的一个，可以随即改变另一个粒子的测量结果，不管两个粒子相距多少光年，这种怪异的现象就被称为“量子纠缠”，它是量子信息这个新兴领域的基础。

尽管爱因斯坦是量子理论的创始人之一，但他却拒绝接受量子力学。爱因斯坦坚信斯宾诺莎的上帝，认为大自然规律就是“上帝”，但是量子力学中的不确定性原理让他感到不安，在和波尔的争论中，说出了那句名言——上帝不掷骰子。

1964年欧洲核子研究中心理论物理学家约翰·斯图尔特·贝尔指出了一项可检测爱因斯坦和量子力学孰是孰非的实验。贝尔指出如果对纠缠的两个分离粒子进行独立测量，那么结果取决于每一半的隐藏变量，如果隐藏变量不存在，那么纠缠状态下的粒子活动则不能用经典理论来解释，即贝尔不等式或贝尔定理。

尝试试验

克劳泽博士是实施贝尔提出实验的第一人。他在哥伦比亚大学读研究生时偶然看到了贝尔的博士论文，意识到这是一件有意义的事情。1972年，克劳泽博士和加利福尼亚大学伯克利分校的研究生斯图尔特·弗里德曼尝试进行了贝尔提出的量子纠缠测量实验。

实验中，克劳泽发射了数千个光子，以测量一种名为“偏振”的特性，它只可能有两种值——上或下。探测器的结果是一系列看似随机的上下起伏，但是当对两个探测器的结果进行比较时，这种起伏就有了相配性，而这是经典物理学和爱因斯坦的定律都无法解释的。宇宙中有某种奇怪的东西处于运动状态，“纠缠”似乎确有其事。

劳伦斯伯克利实验室

赌注漏洞

上世纪70年代，阿佩斯曾在喀麦隆任教3年，并在业余时间钻研量子力学（真是强人），后来回到法国，准备解答贝尔博士提出的难题。1982年，阿佩斯和他在巴黎大学的团队试图堵住克劳泽的漏洞，他以钙原子为光子对来源，然后把钙原子激发到一定能级，当回落时就会释放一对光子对，实验巧妙地让两个光子飞出12米远（光子需要飞40ns），中间的一个偏振器每10纳秒改变一次对光子偏振进行测量的方向，但当时他也认为爱因斯坦是对的。

阿佩斯的研究结果让“纠缠”出来名，使其成为物理学家和工程师可加以利用的一种真实现象。量子语言是适用的，但克劳泽博士在贝尔实验中还发现了其他的可能漏洞，而要宣布量子物理学家战胜了爱因斯坦，就要堵住这些漏洞。

阿佩斯在实验中以一种有规律的、由此从理论上讲可以预测的方式改变偏振方向，光子或探测器由此可有所感知。此时，维也纳大学教授蔡林格开始接力。1998年，他给贝尔实验增加了更多的随机性，在被纠缠的的粒子飞行状态下使用随机数生成器改变偏振测量的方向。量子力学再一次以绝对优势击败爱因斯坦，堵住了“位置性漏洞”。

尽管如此，还是存在其他会引发批评或偏见的可能源头。近年来，蔡林格及其合作者们一直在进行“宇宙钟”实验，即利用距离这里数十亿光年远、名为“类星体”的遥远星体的光线波动作为随机数生成器去设定探测器方向。

如今，随着科学家们对纠缠粒子进行更多实验，“纠缠”被接受为量子力学的主要特征之一，并被用于密码学、量子计算和即将出现的“量子互连网”等领域。量子纠缠在密码学领域取得的最初成果之一是利用纠缠量子对发送信息，这可以安全发送密钥，因为任何窃听行为都会彻底破坏量子纠缠，由此可向接受者提示异常状况。