量子纠缠如何成为强有力的工具｜直击诺奖

2022-10-04 14:10

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今天，诺贝尔物理学奖公布，获奖者是阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·弗朗西斯·克劳泽（John Francis Clauser）、安东·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了量子信息这一学科。以下是来自诺奖官方的解读。

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·弗朗西斯·克劳泽（John Francis Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger）利用突破性的实验，证明了研究和控制处于纠缠态粒子的潜力。处于量子纠缠态的一对粒子，发生在其中一个粒子上的事情，决定了发生在另一个粒子上的事情，即便它们实际上相距太远而无法相互影响。今年的获奖者对实验工具的开发，为量子技术的新时代奠定了基础。

量子力学的基本原理不只是一个理论或哲学问题。目前科学界正在进行密集的研究和开发，以利用单个粒子系统的特殊属性来组建量子计算机，改进测量，建立量子网络，构建安全的量子加密通信。

许多应用都依赖于所谓的“量子纠缠”——即量子力学允许两个或更多的粒子以共享状态存在，无论它们相距多远。自量子力学理论提出以来，这一直是争论最多的内容之一。爱因斯坦称之为鬼魅般的超距作用，薛定谔则说它是量子力学最重要的特征。

今年的获奖者对纠缠的量子态进行了探索，他们的实验为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

远离日常经验

当两个粒子处于纠缠的量子态时，有人测量一个粒子的属性，就可以立即确定对另一个粒子进行等效测量的结果，而无需检验。

量子力学的特殊之处在于，它等效于那些小球在被测量之前没有确定的状态。这就好像两个球都是灰色的，直到有人看了其中一个球一眼。在那一刻，它会随机确定一个状态，比方说随机显示这个球为白色。而另一个球则立即变成了与之相反的颜色。

但是，你怎么知道一开始这些球就没有一个固定的颜色呢？虽说它们表现得好像是灰色的，但说不定它们内部有一个隐藏的标签，告诉它们当有人看到的时候，它们应该变成哪种颜色。

没有人在看的时候

颜色是否存在？

量子力学的纠缠对，可以比作一台机器，它朝相反方向扔出相反颜色的两个球。当鲍勃接住一个球并看到它是黑色的，他立即知道，爱丽丝接到的球是白色的。在使用隐藏变量的另一个理论中，这些球一直包含着隐藏的信息，知道自己要显示为什么颜色。然而，量子力学说，这些球就是灰色的，直到有人看它们，其中一个随机变成白色，另一个则变成黑色。贝尔不等式表明，有一些实验可以区分上述两种情形。这样的实验已经证明，量子力学的描述是正确的。

今年诺贝尔物理学奖所奖励的研究，其中一个重要部分，便是对贝尔不等式的理论见解。贝尔不等式使我们有可能区分“包含不确定性的量子力学”和“包含隐藏变量的替代理论”。实验表明，自然界的行为正如量子力学所预测的那样。那些球是灰色的，没有任何秘密信息。实验中哪个球变成黑色，哪个球变成白色，完全是随机的。

量子力学最重要的资源

纠缠的量子态有可能成为存储、传输和处理信息的新方式。

如果纠缠对中的粒子以相反的方向行进，其中一个粒子与第三个粒子相遇，并以某种方式使它们产生纠缠，就会发生有趣的事情。它们会进入一个新的共享状态。第三个粒子失去了自己的身份，但它原来的属性现在已经转移到了之前那对纠缠粒子中落单的那个粒子上了。这种将未知的量子态从一个粒子转移到另一个粒子的方式，被称为量子隐形传态（quantum teleportation）。此类实验最早是由安东·塞林格及其同事在1997年率先完成的。

值得注意的是，量子隐形传态是将量子信息从一个系统转移到另一个系统而不丢失任何部分的唯一方法。测量一个量子系统的所有属性，再将信息发送给一个想要重建该系统的接收者，是绝对不可能的。这是因为，一个量子系统可以同时包含每个属性的几个版本，而每个版本在测量中都有一定的概率出现。一旦进行了测量，那就只剩下了一个版本，也就是被测量仪器读取的那个版本。其他的版本已经消失了，不可能再知道关于它们的任何事情。然而，完全未知的量子特性可以通过量子隐形传态来转移，并完好无缺地出现在另一个粒子中，但代价是这些量子特性在原粒子中被破坏殆尽。

这一点在实验中一经证明，下一步便是使用两对纠缠粒子。如果每对纠缠粒子中的各一个粒子，以某种方式被纠缠在一起，那么原纠缠对中未受干扰的那两个粒子也会变得纠缠，尽管它们从未相互接触过。这样的纠缠互换，在1998年由安东·塞林格的研究团队率先证明。

纠缠的一对光子，可以通过光纤以相反的方向发送，并在量子网络中发挥信号作用。两对光子之间的纠缠，使得这样一个网络中节点之间的距离有可能延长。光子通过光纤发送的距离是有限制的，太长的话，光子会被吸收或者失去特性。普通的光信号可以在途中被放大，但纠缠光子对没办法这样做。放大器必须对光进行捕获和测量，这会打破量子纠缠。然而，纠缠互换意味着有可能进一步发送原始状态，从而将其转移到原本不可能传送到的更远距离上。

从未见过面的纠缠粒子

两对纠缠在一起的粒子从不同的来源发射出来。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式被带到一起，使它们发生纠缠。此时，另外两个粒子（图中的1和4）也被纠缠起来。通过这种方式，两个从未接触过的粒子可以纠缠在一起。

从佯谬到不等式

这一进展建立在多年的发展之上。它始于一个令人匪夷所思的见解，即量子力学允许一个单一的量子系统被分割成相互分离的部分，而这些部分仍然作为一个单一的单元行事。

这违背了所有关于因果关系和现实本质的常规想法。如果没有来自其他地方的某种形式的信号，一个东西怎么可能被发生在其他地方的事件所影响？信号的传播速度不可能超过光速——但在量子力学中，似乎没有必要用信号来连接一个扩展系统的不同部分。

爱因斯坦认为这是不可行的，并与他的同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）一起研究了这个现象。他们在1935年提出了他们的推理：量子力学似乎并没有提供对现实的完整描述。这被称为EPR佯谬，以三人名字的首字母命名。

问题是，是否可能存在一个对世界更完整的描述，而量子力学只是其中一部分呢？举例来说，粒子会不会总是携带着隐藏信息，来决定它们在实验中显示怎样的结果——这是否可行呢？如此一来，所有的测量结果显示的都是存在于测量地点的确切属性。这种类型的信息往往被称为“局域隐变量”（local hidden variables）。

在欧洲核子研究中心（CERN）工作的北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell，1928-1990）对这个问题进行了仔细研究。他发现存在一种类型的实验，可以确定世界到底是纯粹的量子力学，还是带有隐变量的另一种描述。如果他的实验重复多次，所有带有隐变量的理论都会显示出结果之间的相关性，这种相关性必须小于或者最多等于一个特定数值。这就是所谓的“贝尔不等式”。

然而，量子力学可以违反这个不等式。它预测的结果之间的相关性数值，要比隐变量描述得到的数值更高。

20世纪60年代，当时还是学生的约翰·克劳泽对量子力学的基本原理产生了兴趣。他一读到约翰·贝尔的想法就无法自拔，最终，他和其他三位研究人员提出了一个可以实际操作的实验方案，能够用来检验贝尔不等式。

该实验涉及朝相反方向发送一对纠缠的粒子。实验中使用的光子，拥有一种被称为偏振（polarisation）的性质。当粒子被发射出去时，偏振的方向是不确定的，唯一确定的是粒子都具有平行偏振。这可以用一个滤镜来研究，这个滤镜只允许朝向特定方向偏振的光子通过（参见插图“贝尔不等式实验”）。许多太阳镜也用到了这一效应，用来阻挡在某个特定平面上偏振的光，比如水面的反射光。

如果实验中的两个粒子都被送往朝向同一个平面（比如垂直方向）的滤镜，其中一个通过滤镜，那么另一个也会通过。如果滤镜方向彼此成直角，那么一个粒子会被阻止，而另一个粒子会通过滤镜。实验的诀窍是，在不同方向上以倾斜的角度设置滤镜进行测量，如此一来结果就会有所不同：有时两个粒子都会通过，有时只有一个通过，有时一个都过不去。两个粒子有多大概率全都通过滤镜，取决于滤镜之间的角度。

量子力学带来了测量之间的相关性。一个粒子通过滤镜的可能性，取决于实验装置另一侧那块滤镜的角度，而后者是拿来测量其伙伴粒子的偏振用的。这意味着，在某些角度上，两个测量的结果违背了贝尔不等式，相比受隐变量支配的结果，以及在粒子发射时已经预先确定的结果，量子力学具有更强的相关性。

被违反的不等式

约翰·克劳泽立即开始着手进行这一实验。他建造了一个仪器，每次发射两个纠缠在一起的光子，每个光子都射向一个滤镜，测试它们的偏振。1972年，他和博士生斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一个结果，明显违反了贝尔不等式，并与量子力学的预测一致。

在随后的几年里，约翰·克劳泽和其他物理学家继续讨论该实验及其局限性。其中一个局限性是，该实验在产生和捕获粒子时，总体上效率低下。测量也是预先设定好的，滤镜被设置在固定的角度。因此，实验存在漏洞，观察者可以对结果提出质疑：会不会是实验装置以某种方式选择了碰巧有强烈相关性的粒子，而没有检测到其他粒子？如果是这样的话，那这些粒子就仍然可能携带着隐藏的信息。

要弥补这一漏洞是很困难的，因为纠缠在一起的量子态极其脆弱，难以处置；而实验又必须要处理单个光子。法国博士生阿兰·阿斯佩没有被吓倒，他建立了一个新版本的装置，并在几次反复中进行了完善。在他的实验中，他可以记录通过滤镜的光子和没有通过的光子。这意味着检测到更多的光子，测量结果也更好。

在最终版本的实验中，他还有能力将光子引向设置在不同角度的两块不同的滤镜。巧妙之处在于，在纠缠光子对产生并从源头发出后，还有一个装置可以切换它们行进的方向。滤镜相隔只有6米，因此切换必须在几十亿分之一秒内发生。如果光子会抵达某个滤镜的信息，从源头上影响了它如何发出的方式，那它将无法抵达那块滤镜。同样，实验装置中与一边的滤镜有关的信息，也无法传到另一边并影响那里的测量结果。

通过这种方式，阿兰·阿斯佩弥补了一个重要的漏洞，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，不存在隐藏的变量。

量子信息时代

诸如此类的这些实验，为当前量子信息科学的深入研究奠定了基础。

有能力操纵和管理量子态及其所有层次的特性，使我们能够获得具有意想不到潜力的工具。这就是量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法的基础。具有两个以上的粒子、且所有粒子都纠缠在一起的系统，现在已经投入了使用，而安东·塞林格及其同事是第一个探索这些系统的人。

贝尔不等式实验：