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他們?yōu)榈诙瘟孔痈锩蛳禄A(chǔ) | 深度解讀2022年物理學(xué)諾獎

2022/10/10
導(dǎo)讀
作為實驗工作，這次諾貝爾獎獲獎工作為這些發(fā)展打下了基礎(chǔ)，為第二次量子革命奠基
10.6
知識分子The Intellectual

2022年物理諾獎得主


 編者按

量子糾纏是量子技術(shù)新紀(jì)元的基石。這次諾貝爾物理學(xué)獎三位獲獎?wù)唛_創(chuàng)性的實驗，驗證了貝爾不等式的違反，為第二次量子革命打下了基礎(chǔ)。

撰文 | 施郁（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授）

 ●                  　●                   　●

2022年諾貝爾物理學(xué)獎授予阿斯貝克特（Alain Aspect）, 克勞瑟（John F. Clauser）和塞林格（Anton Zeilinger），獎勵他們關(guān)于糾纏光子的實驗，驗證了貝爾不等式的違反，也開創(chuàng)了量子信息科學(xué) [1]。



量子力學(xué)、量子態(tài)與量子糾纏
自上世紀(jì)二十年代以來，量子力學(xué)成為整個微觀物理學(xué)的基本理論框架，并且取得了巨大的成功。在量子力學(xué)之前已經(jīng)建立的物理學(xué)框架被稱作經(jīng)典物理。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)工具并不比經(jīng)典物理的更復(fù)雜，但是量子力學(xué)的概念框架卻與之截然不同，以致于玻爾說：“沒被量子理論震撼就沒懂?！痹谌祟愃枷胧飞希孔恿W(xué)即使不是最重大的革命，也是最重大的革命之一 [2,3]。

量子力學(xué)的中心概念是量子態(tài)。顧名思義，“量子態(tài)” 即 “量子狀態(tài)”。量子態(tài)并不是一個物理量，而是描述一種概率分布。當(dāng)測量量子系統(tǒng)的某個屬性時，量子態(tài)就以一定的概率隨機(jī)變?yōu)槊鞔_具有這個屬性的量子態(tài)之一。

比如，量子粒子與我們?nèi)粘Ｉ钪腥庋劭梢姷牧Ｗ?/span>（經(jīng)典粒子）不一樣，量子粒子的位置由一個位置量子態(tài)描述。它可以確定處于一個位置，也就是處于某個確定位置的量子態(tài)。但是一般來說，位置量子態(tài)是具有不同的確定位置的量子態(tài)的疊加。測量量子粒子的位置時，有一定的概率得到各種位置，從而位置量子態(tài)塌縮為相應(yīng)確定位置的量子態(tài)。這個概率等于“波函數(shù)”的大小的平方。

再比如，光有個內(nèi)部性質(zhì)叫偏振，代表了電場振動方向，它總是位于與光的傳播方向垂直的平面上。光是由光子組成的。作為一種量子粒子，每個光子有一個偏振量子態(tài)，是對應(yīng)兩個互相垂直的方向的偏振量子態(tài)的疊加。測量光子的偏振時，光子原來的偏振量子態(tài)以一定的概率變?yōu)檫@兩個態(tài)之一。在測量儀器與光子原來的偏振量子態(tài)正好 “匹配” 的特殊情況下，光子的偏振量子態(tài)不發(fā)生變化。

本次諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎工作都是使用光子偏振。

量子糾纏是量子態(tài)的一種性質(zhì)。一個量子系統(tǒng)可能由若干子系統(tǒng)構(gòu)成。如果某子系統(tǒng)沒有一個獨立的量子態(tài)，那么就說這個子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間存在量子糾纏。也就是說，量子糾纏是由兩個或兩個以上的子系統(tǒng)構(gòu)成的整體的量子態(tài)性質(zhì)。

還是以光子偏振為例。考慮兩個光子a和b，二者可能相距很遠(yuǎn)。偏振是內(nèi)部性質(zhì)，與空間距離無關(guān)。假設(shè)它們整體的偏振量子態(tài)是某個量子糾纏態(tài)，它是兩個態(tài)的疊加。

其中一個態(tài)中，a光子處于水平偏振態(tài)，b光子也處于水平偏振態(tài)；在另一個態(tài)中，a光子處于豎直偏振態(tài)，b光子也處于豎直偏振態(tài)。但是在二者的疊加中，每個光子都沒有一個獨立的偏振量子態(tài)。如果測量a光子偏振是水平還是豎直，那么結(jié)果當(dāng)然是二者之一。如果測量者知道這兩個光子原來所處的量子糾纏態(tài)，當(dāng)a被測到是豎直的時候，就可以預(yù)言b光子的量子態(tài)也塌縮為豎直；當(dāng)a被測到是水平的時候，就可以預(yù)言b光子的量子態(tài)也塌縮為水平。


定域?qū)嵲谡撆c貝爾不等式
1935年，愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）以所謂的定域?qū)嵲谡?/span>（即定域性和實在論共同成立）為前提假設(shè)，討論了相距很遠(yuǎn)的處于量子糾纏態(tài)的兩個粒子。定域性是指，在某處的測量不會影響到遙遠(yuǎn)的地方。這里的實在論是指，觀測量在被觀測之前就已經(jīng)確定了。

愛因斯坦等人認(rèn)為，量子力學(xué)不完備。意思是，除了量子力學(xué)中的量子態(tài)之外，物理系統(tǒng)還存在額外的變量，可以刻畫系統(tǒng)的準(zhǔn)確狀態(tài)。后來人們將這些額外的變量稱作隱變量，它們代表了所謂的實在論。如果一個代替量子力學(xué)的理論包含隱變量，它就叫作隱變量理論。如果這個理論還滿足定域性，就叫定域隱變量理論，或者定域?qū)嵲谡?。愛因斯坦等人討論的例子是位置狀態(tài)。1951年，Bohm首次使用更為簡單的自旋狀態(tài)（類似光子偏振）來討論。

1950年，吳健雄和Shaknov在一個準(zhǔn)確驗證量子電動力學(xué)的工作中，用正負(fù)電子湮滅，首次實現(xiàn)了光子偏振的量子糾纏。他們的關(guān)注點不在于量子糾纏，也沒有研究量子糾纏的性質(zhì)。事實上，這里的量子糾纏是1957年Bohm和Aharonov注意到的。但是我們可以說，這是第一次實驗上實現(xiàn)了明確的、空間分離的量子糾纏態(tài) [4]。

1964年，貝爾（John Bell）提出，定域?qū)嵲谡撆c量子力學(xué)是矛盾的。他發(fā)表了一個不等式，是定域隱變量理論都應(yīng)該滿足的不等式。后來所有這一類的不等式都叫作貝爾不等式，是關(guān)于兩個子系統(tǒng)的測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)，每個子系統(tǒng)由一個局域的觀察者對之進(jìn)行測量。用定域隱變量理論計算各種測量結(jié)果的關(guān)聯(lián)，其結(jié)果滿足貝爾不等式。而在量子力學(xué)中，如果這兩個子系統(tǒng)用某些量子糾纏態(tài)描述，那么根據(jù)量子力學(xué)計算的結(jié)果是違反貝爾不等式的。

貝爾不等式將原來帶有形而上學(xué)味道的討論轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂脤嶒灦繘Q定的非此即彼的判定。將哲學(xué)問題轉(zhuǎn)化為定量的科學(xué)問題。檢驗大自然是否滿足貝爾不等式的實驗叫作貝爾測試。作貝爾測試需要使用分居兩地又處于量子糾纏態(tài)的子系統(tǒng)，也需要迅速高效的探測，以及事先不可預(yù)測的對于每個測量裝置的獨立安排。所有有關(guān)貝爾不等式（或稱者貝爾定理、貝爾測試）的工作都是在貝爾的開創(chuàng)性工作基礎(chǔ)之上。


Bell-CHSH不等式與實驗
但是貝爾最初的不等式的具體形式所依賴的假設(shè)過于理想化，不適合真實的實驗。1969年，克勞瑟（John Clauser）、Michael Horn，Abner Shimony和Richard Holt推廣了貝爾的不等式，通常稱為CHSH或者Bell-CHSH不等式。在很普遍合理的假設(shè)下，只要有定域?qū)嵲谛裕珺ell-CHSH不等式即可成立，而且可以在實驗上檢驗。當(dāng)然，量子力學(xué)也是違反它的。所以，量子力學(xué)與定域?qū)嵲谡撃膫€正確，就看哪個與實驗符合。

1972年，克勞瑟作為一名博士后，還和一位博士生Freedman做了初步的實驗嘗試，得到了違反貝爾不等式的實驗結(jié)果。但是這個實驗有很多漏洞和局限，實驗中產(chǎn)生和探測粒子的效率低，測量也是事先設(shè)置好。因此，邏輯上，有可能隱變量使得對粒子的探測有選擇性，從而導(dǎo)致貝爾不等式的違反。  

局域性是貝爾不等式的一個關(guān)鍵前提假設(shè)。相互分離的兩個子系統(tǒng)的測量必須相互獨立，包括選擇做哪種測量（比如位置還是動量，是橫向的磁矩還是縱向的磁矩）。因此必須保證二者的測量的時間差足夠小，以至于不可能有物理信號從一方傳到另一方。因為所有的信號速度不超過光速，實驗上必須保證雙方測量的時間差小于距離除以光速。顯然，克勞瑟-Freedman的固定設(shè)置是不滿足局域性要求的。

1981和1982年，法國的阿斯貝克特（Alain Aspect）與合作者 Phillipe Grangier、Gerard Roger和Jean Dalibard做了一系列實驗，在相當(dāng)?shù)某潭壬蠈崿F(xiàn)局域性。在他們的實驗中，光子在到達(dá)每個儀器之前，每個測量光子偏振的裝置的方向隨機(jī)改變。他們觀察到了對Bell-CHSH不等式的違反，而且置信度是幾十個標(biāo)準(zhǔn)偏差。相比之下，克勞瑟-Freedman實驗的置信度只有6個標(biāo)準(zhǔn)偏差。  

這些實驗以及后來的很多貝爾測試實驗都判定量子力學(xué)勝利，定域?qū)嵲谡撌?。但是這些工作中仍然存在技術(shù)性漏洞，如在探測器效率或定域性上。兩個儀器之間距離很短，所以并不能保證測量裝置的改變是真正隨機(jī)的，因此沒有關(guān)閉局域性漏洞。

直到1997年，塞林格（Anton Zeilinger）研究組的實驗中，兩個糾纏粒子相距400米，才補(bǔ)上了局域性漏洞。2015年，有幾個實驗都同時補(bǔ)上局域性漏洞和探測漏洞，其中一個實驗來自塞林格組。

下面介紹一下諾獎材料中并未提及的 “自由選擇漏洞”。貝爾不等式是關(guān)于兩個子系統(tǒng)的各種測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，涉及測量裝置的幾種不同設(shè)置，比如測量的方向。這在貝爾不等式的推導(dǎo)中是完全自由的，與隱變量無關(guān)。在貝爾測試中，需要自由隨機(jī)選擇這幾個不同設(shè)置。長期以來，在實驗中，都是由儀器來隨機(jī)選擇實驗裝置的安排。這并不理想，因為萬一這些儀器所作的選擇本身就是由隱變量決定的呢？這叫做 “自由選擇漏洞”。貝爾曾提出可以用人的自由選擇來保證實驗裝置的安排的不可預(yù)測性。但是當(dāng)時的技術(shù)做不到。

2016年11月30日，一個叫做 “大貝爾測試”（The Big Bell Test）的實驗項目就是這樣的實驗，補(bǔ)上了這個 “自由選擇漏洞”。實驗中所作的選擇都是來自全球各地的約10萬個志愿者。12小時內(nèi)，這些志愿者通過一個網(wǎng)絡(luò)游戲 “the BIG Bell Quest”，每秒產(chǎn)生1000比特數(shù)據(jù)，總共產(chǎn)生了97347490比特數(shù)據(jù)。參加游戲的志愿者被要求在一定時間內(nèi)輸入一定的隨機(jī)比特0或1，被用于對實驗中所作選擇的指令。有個機(jī)器學(xué)習(xí)算法會根據(jù)已輸入的比特，提醒志愿者避免可預(yù)測性，但是對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不作選擇。

全球五個洲的12個實驗室在12個小時內(nèi)做了13個貝爾實驗。這些實驗用10萬名志愿者無規(guī)提供的這些數(shù)據(jù)來安排測量裝置，不同的實驗采用不同的數(shù)據(jù)。在不同系統(tǒng)的貝爾測試的結(jié)果表明了定域?qū)嵲谡撛谶@些系統(tǒng)中被違反。其中一個是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的光子偏振實驗。

2018年5月9日，Nature 雜志以 “用人的選擇挑戰(zhàn)定域?qū)嵲谡摗?為題，發(fā)表了這13個貝爾實驗的結(jié)果 [5,6]，顯示定域?qū)嵲谡撛谟泄庾?、單原子、原子系綜與超導(dǎo)器件等系統(tǒng)中被違反。這一工作代表了對量子力學(xué)基本理論的檢驗又前進(jìn)了一步。

1989年，塞林格還曾經(jīng)與 Daniel Greenberg 和 Michael Horne 發(fā)現(xiàn)一種三粒子量子糾纏態(tài)具有特別的性質(zhì)，不需要統(tǒng)計平均，就與定域?qū)嵲谡摯嬖跊_突。


量子糾纏是量子信息中的資源
量子糾纏已經(jīng)成為量子信息處理的資源 [7-10]。例如，利用量子糾纏可以實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。

在量子信息科學(xué)中，一個基本定理叫做 “量子態(tài)不可復(fù)制”；不可能存在一個基于量子力學(xué)演化的機(jī)器，它能夠復(fù)制任意的未知的量子態(tài)。因此如果一個任意量子態(tài)從一個載體，經(jīng)過某個過程，轉(zhuǎn)移到另一個載體上，那么原來的載體上的量子態(tài)就肯定改變了。例如，這體現(xiàn)于所謂“量子隱形傳態(tài)”中。

1993年Bennett、Brassard、Crèpeau、Jozsa、Peres和Wootters提出量子隱形傳態(tài)方案，借助經(jīng)典通訊，將量子態(tài)從第一個粒子傳到遠(yuǎn)方的第二個粒子上。第三個粒子與第一個粒子處于同一地點，但是與第二個粒子糾纏。實驗者對第一個和第三個粒子進(jìn)行某種測量（叫做貝爾測量），并將結(jié)果通過經(jīng)典通訊通知控制第二個粒子的實驗者，后者對第二個粒子采取相應(yīng)操作。粒子本身沒有傳送，是量子態(tài)被傳送，而該量子態(tài)原來的載體則改變了量子態(tài)，事實上變成與另一個粒子處于一個糾纏態(tài)，而且經(jīng)典通訊起了重要作用。

以光子偏振為例具體說明。地處兩地的甲和乙分別擁有光子a和b。假設(shè)它們的偏振處于糾纏態(tài)。甲還擁有另一個光子c，處于一個獨立的偏振量子態(tài)。甲和乙并不知道c的量子態(tài)是怎樣的。甲對a和c做一個整體的測量，使得它們處于4種糾纏態(tài)之一。然后，甲將測量結(jié)果通知乙。對應(yīng)于甲得到的4種可能結(jié)果，乙對b做一個對應(yīng)的操作，b的量子態(tài)總能變?yōu)閏原來的量子態(tài)。這樣，c光子原來承載的量子態(tài)就被傳到了b光子。注意，光子本身并沒有發(fā)生在空間中的傳輸。這里一個關(guān)鍵的步驟是甲將測量結(jié)果通知乙，否則是不可能實現(xiàn)的。一個妙處是甲和乙都不知道被傳的狀態(tài)。 

量子糾纏和量子隱形傳態(tài)都不可能瞬間傳遞信息。如果不將a的測量結(jié)果通知b處的觀測者，后者是觀測不到b的任何變化的，觀測結(jié)果與塌縮前的量子態(tài)也是完全融洽的（因為有隨機(jī)性）。因此這里沒有超光速信號的傳輸，量子糾纏并不違反相對論。對相對論的遵守也體現(xiàn)在量子隱形傳態(tài)中，甲必須將測量結(jié)果告訴乙。事實上，任何信號傳輸都不能超過光速。

1997年，塞林格組和 De Martini 組分別在實驗上實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。

正如量子隱形傳態(tài)的理論作者提到的，量子隱形傳態(tài)可以推廣如下，A和B處于一個糾纏態(tài)，C和D處于另一個糾纏態(tài)。B和C進(jìn)入同一個測量儀器，被做貝爾測量，結(jié)果A和D就會處于一個糾纏態(tài)，雖然它們沒有相遇。后來，塞林格參與的一個理論工作將之稱為糾纏交換，并指出這可以用于檢測糾纏對的產(chǎn)生。1998年，塞林格組在實驗上實現(xiàn)了糾纏交換。潘建偉作為塞林格的學(xué)生參加了量子隱形傳態(tài)和糾纏交換實驗。

量子技術(shù)的一個重要目標(biāo)是實現(xiàn)長距離的量子糾纏，一個技術(shù)途徑是用光纖，但是光有衰減，所以需要中繼。但是量子態(tài)不能被復(fù)制，所以與經(jīng)典中繼器不同。

一個方法是借助衛(wèi)星，因為大氣以上的自由空間中，光衰減很小。中國的潘建偉團(tuán)隊用2016年發(fā)射的墨子號衛(wèi)星實現(xiàn)了這個方案。他們實現(xiàn)了1203公里距離的量子糾纏，而且觀察到了貝爾不等式的違反，后來，又與塞林格組合作，將糾纏光子對分配到中國與奧地利兩地。

另一個途徑是所謂量子中繼器，基于糾纏交換，通過多個節(jié)點，實現(xiàn)長程糾纏。除了有效的糾纏交換，還需要好的量子存儲，因為在一方的許多次糾纏交換過程中，另一方必須保持量子態(tài)不變。這些技術(shù)結(jié)合起來，可以導(dǎo)致全球量子網(wǎng)絡(luò)的建立。 

1991年，Artur Ekert 提出一種基于量子糾纏態(tài)的量子密鑰分配方案。通過檢驗貝爾不等式是否違反，可以發(fā)現(xiàn)通道是否安全可靠。2006年，塞林格組以144公里距離，實現(xiàn)了這個方案。2022年，3個組用沒有漏洞的貝爾測試，實現(xiàn)了這個方案。

多個粒子的量子糾纏則是實現(xiàn)量子計算的基礎(chǔ)，而且也是理解多體量子態(tài)的重要概念。

量子糾纏成為有力工具，為量子技術(shù)新紀(jì)元打下基礎(chǔ)，是所謂第二次量子革命的基礎(chǔ)。因此，三位諾獎得主開創(chuàng)性的實驗，是第二次量子革命的基石。


 參考文獻(xiàn)：

[1] 諾貝爾物理學(xué)獎官方資料。

[2] 施郁，繼續(xù)量子科學(xué)革命，光明日報，2017 年 05 月 25 日 13 版。

[3] 施郁. 揭開“量子”的神秘面紗，賽先生，2019年12月7日。

[4] 施郁，吳健雄的科學(xué)精神：從量子糾纏到宇稱不守恒，在“紀(jì)念吳健雄先生誕辰110周年國際學(xué)術(shù)研討會”上的演講，東南大學(xué)，2022年5月31日；Yu Shi, C. S. Wu and quantum entanglement, to be published。

[5] The BIG Bell Test Collaboration, Challenging local realism with human choices, Nature 557, 212–216 (2018).

[6] 施郁. 最新Nature：10萬游戲玩家助力13個量子實驗，知識分子，2018 年 5 月10日。

[7] 施郁. 揭秘量子密碼、量子糾纏與量子隱形傳態(tài)，自然雜志，2016年38卷4期，241-247。

[8] 施郁. 量子信息、量子通信和量子計算釋疑，現(xiàn)代物理知識，2016年28卷6期，19-21。

[9] 施郁. 量子計算、量子優(yōu)勢與有噪中程量子時代，自然雜志，2020年，第42卷第4 期，295-300。

[10] 施郁. 通向量子計算和量子信息之路，世界科學(xué)，2020年第4期，10-12頁。



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