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关注2022年诺贝尔物理学奖——量子“纠缠”出了什么

作者:王春雷 谢明洋 刘超然 发布时间:2022-11-11 09:27:12 来源:解放军报 字体:   |    |  

2022年诺贝尔物理学奖获得者:阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格。资料图片

  2022年10月4日,2022年诺贝尔物理学奖授予法国学者阿兰·阿斯佩,美国学者约翰·克劳泽和奥地利学者安东·蔡林格,以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。

  自量子力学建立以后,科学家们对量子力学的物理解释和哲学意义,一直存在严重分歧和争议。其核心在于量子力学中会出现“远距离的幽灵行动”,即量子纠缠:无论相距多远,两个或多个粒子能够共享物理状态。对此爱因斯坦认为,纠缠中的粒子包含了隐藏变量,更进一步提出了著名的EPR佯谬:量子力学没有提供对现实完整描述。

  1964年,英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式。这一不等式的核心在于,如果存在隐藏变量,则大量粒子测量结果之间的相关性,永远不会超过某个值。如果能通过实验验证,测量结果违反了贝尔不等式,就意味着量子力学不能用局域隐变量理论来加以解释,即证明爱因斯坦的认知是错误的。

  克劳泽是世界上第一个验证贝尔不等式的科学家。1972年,在加州大学伯克利分校任职的他,与博士生斯图尔特,完成了世界上首次对违反贝尔不等式的实验观察。这类早期实验,存在着显而易见的漏洞。

  1982年,还在读博的阿斯佩改进了克劳泽的实验,第一次“用光学的方法真正把道理讲清楚”,验证了贝尔不等式并不成立。

  直到2015年,实验的漏洞才算被完全“堵上”。蔡林格在一系列实验中,使用距离源足够远、快速可切换的偏振器,利用600年前恒星发出的光来进行测试,最终完成了“无漏洞”的违反贝尔不等式验证。

  三位诺贝尔物理学奖获奖者对纠缠量子态进行了开创性实验,实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍,甚至超越了解释量子力学的基本问题。

  纠缠的量子态提供了存储、传输和处理信息的新可能性。如果一对相互纠缠的粒子同时向相反的方向行进,其中一个粒子与第三个粒子发生纠缠,它们将转化为一个新的共享态。第三个粒子会失去独立性,但它的量子态属性会转移到与它纠缠的粒子上。这种将未知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。

  1997年,安东·蔡林格和他的同事,通过实验成功传送了一个光子的自旋,首次实现了量子隐形传态的实验。次年,安东·蔡林格的研究小组再次突破,首次证明粒子对间纠缠的交换。

  2016年8月16日,中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。2017年1月18日,该卫星正式开展科学实验。构建“墨子号”的基础科学原理,就是蔡林格团队1997年首次完成的量子隐形传态实验。

  量子信息技术近年来是物理学家的研究热点。许多专家预测,该领域正处于激动人心的重大发展的风口浪尖。这意味着量子计算机未来可能比传统计算机更快地解决现实世界的问题,还可能催生更敏感的医疗诊断工具或更广泛的安全通信网络。

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