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纠缠,是一种强大的工具!2022年诺贝尔物理学奖解读

获得诺贝尔物理学奖的三位科学家——法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格,他们通过开创性的实验展示了处于纠缠状态的粒子的潜力,这三位获奖者对实验工具的开发,也为量子技术的新时代奠定了基础。

640.png?x-oss-process=style/w10阿兰·阿斯佩(左)、约翰·克劳泽(中)、安东·塞林格(右)。图片来源:诺贝尔奖官网

你明白“纠缠”吗

在所谓的“纠缠对”中,一个粒子发生的事情,会决定另一个粒子发生的事情(不管相距多远)。这意味着什么?

640.jpg?x-oss-process=style/w10纠缠示意图。

量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。其与全世界正密集研发的、以利用单个粒子系统的特殊属性来构建的量子计算机、改进测量、量子网络以及量子加密通信,都能息息相关。

以上应用,均需依赖于量子力学如何允许两个或多个粒子以共享状态存在,甚至无论它们相隔千山万水,均能保持这一状态。

这被称为纠缠。

自从该理论提出以来,它一直是量子力学中争论最多的元素之一。

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两对纠缠粒子从不同的来源发射。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式相互纠缠而聚集在一起。然后,其他两个粒子(图中的1和4)也被纠缠在一起。通过这种方式,两个从未接触过的粒子可以纠缠在一起。

阿尔伯特·爱因斯坦说这是“幽灵般的超距作用”,而埃尔温·薛定谔说这是量子力学最重要的特征。

今年的获奖者们,探索了这些纠缠的量子态,他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍,为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

 不断解决漏洞

长期以来存在的一个问题是,相关性究竟是不是因为纠缠对中的粒子包含隐藏变量。1960年代,约翰·斯图尔特·贝尔提出了以他的名字命名的数学不等式。这说明如果存在隐藏变量,则大量测量结果之间的相关性,永远不会超过某个值。然而,量子力学预测某种类型的实验将违反贝尔不等式,从而导致比其他方式产生了更强的相关性。

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量子力学的纠缠对可与反方向抛出相反颜色球的机器相提并论。当鲍勃接住一个球,看到它是黑色的时,他立即知道爱丽丝抓住了一个白色的。在使用隐藏变量的理论中,球总是包含有关显示什么颜色的隐藏信息。然而,量子力学却说,这些球是灰色的,直到有人看着它们时,一个随机变成白色而另一个变成黑色。贝尔不等式关系表明,有实验可以区分这些情况。这样的实验证明了量子力学的描述是正确的。

约翰·克劳泽发展了贝尔的想法,并通过一个实际的实验进行测量,测量结果通过明显违反贝尔不等式来支持量子力学。这意味着,量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代。

640-2.png?x-oss-process=style/w10约翰·克劳泽研究示意图。

在约翰·克劳泽的实验之后,一些漏洞仍然存在。阿兰·阿斯佩开发了一种新设置,并以一种弥补重要漏洞的方式使用它。他能够在纠缠对离开其源后切换测量设置,因此在它们发射时既有设置就不会影响结果。

640-3.png?x-oss-process=style/w10阿兰·阿斯佩研究示意图。

使用改良工具和一系列长期实验,安东·塞林格的团队利用纠缠量子态证明了一种称为量子隐形传态的现象,它可以将量子态从一个粒子移动到远距离的另一个粒子。

640-4.png?x-oss-process=style/w10安东·塞林格研究示意图。

  “纠缠态”正从理论走向技术

量子力学现已开始得到应用,并产生了很广阔的研究领域,其包括量子计算机、量子网络和更为安全的量子加密通信。

从实践的角度来说,量子纠缠所代表的,其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满,正源于每一阶段可应用范围的不够。

诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克这样总结道:“越来越清楚的是,一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者在纠缠态方面的工作非常重要,甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”

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