今年的诺贝尔物理学奖平均授予巴黎-萨克雷大学的阿兰·阿斯佩、J. F. 克劳泽联合公司的约翰·F·克劳泽以及维也纳大学的安东·塞林格，以表彰他们在量子力学和量子信息科学领域的开创性工作。
这三位研究人员各自独立工作，进行了新的实验，展示和研究了量子纠缠这种奇特的现象，在这种现象中，两个或多个粒子以所谓的纠缠态存在。在这种奇异的情况下，对其中一个粒子采取的行动可以瞬间波及整个纠缠集合，预测其他粒子的行为，即使它们相距遥远。如果观察者确定了这样一个粒子的状态，那么它的纠缠对应物将立即反映该状态——无论它们是与观察者在同一个房间还是在宇宙另一端的星系中。尽管这种现象已成为现代量子技术的重要方面，但它是如此违反直觉且看似不可能，以至于阿尔伯特·爱因斯坦曾著名地将其嘲笑为“幽灵般的超距作用”。
这些科学家的工作共同解决了北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔在 20 世纪 60 年代深入研究的核心谜题，他试图理解纠缠的“幽灵性”对现实的根本性质意味着什么。正如爱因斯坦所相信的那样，是否有可能所有物体——无论是行星还是粒子——都具有可以通过精确观察来辨别的基本属性？如果是这样，量子怪异现象将只是一种幻觉，它源于量子力学未能解释亚原子世界中粒子固有的尚未被发现的“隐变量”。通过预先决定广泛分离的纠缠粒子的状态，然后在测量这些粒子之前，隐变量可以巧妙地解释它们如何在没有信息以快于光速的速度在它们之间传播的情况下设法相互反映状态——这深刻地违反了物理学最基本的原则之一。爱因斯坦的观点与尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔和其他物理学家所青睐的另一种观点背道而驰，他们拒绝接受这种隐变量的概念。他们说，现实本质上是模糊的，粒子只有在被测量时才会获得某些特定的特征。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
在爱因斯坦及其物理学家同事鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森在三十年前提出的概念的基础上，贝尔在 1964 年表明，如果隐变量存在，它们的出现可以通过仔细测量多对纠缠粒子来实验推断。例如，当沿不同的方向轴（即，不仅是“向上”或“向下”，而且还有各种介于两者之间的状态）测量这些粒子的自旋时，如果它们纯粹由量子力学决定，则成对自旋之间的某些关联应该更强，如果它们受到隐变量的影响，则相应地更弱。因此，进行这项实验可以证实，现实的核心是纯粹的量子力学，或者揭示出更深层次、更基本的物理复杂性。然而，这些“贝尔检验”包含多个可能混淆其结果的潜在漏洞。几十年来，大量的研究人员孜孜不倦地致力于弥补这些漏洞。
来源：Matthew Twombly；资料来源：修改自代尔夫特理工大学——无漏洞的贝尔检验（基于 Michel van Baal 的文本和 Scixel 的图形）。代尔夫特理工大学，2015 年
1969 年，克劳泽率先构思了一个实用的贝尔检验，该检验涉及通过确定沿相反方向发射的纠缠光子对的偏振来测量量子纠缠。然后，他在 1972 年与已故的斯图尔特·弗里德曼（当时是一名研究生）一起进行了实验，证实光子尽管在物理上是分离的，但仍协同作用。克劳泽的工作表明，隐变量无法解释纠缠效应，这表明量子理论仍然完好无损，是对现实本质上完整的描述。
但漏洞仍然存在。大约 10 年后，在改进了克劳泽的实验后，阿斯佩及其合作者通过开发一种在十亿分之一秒内切换纠缠光子对方向的方法，弥补了其中一个漏洞——在光子离开其源之后但在到达探测器之前。这确保了光子发射时存在的测量设置不会影响最终结果，从而大大加强了隐变量不存在的观点。无论在测量纠缠粒子期间发生什么根本性的事情（这仍然是科学家之间激烈争论的话题），阿斯佩的工作表明，它是在现有量子理论的范围内发生的。贝尔检验的最后一个主要漏洞在 2015 年被四个不同的研究小组的工作弥补。
塞林格及其同事极大地扩展了纠缠量子态的使用和研究。1997 年，他们是独立演示一种称为量子隐形传态现象的两个研究小组之一，该现象使用纠缠来允许量子态在任意距离上从一个粒子移动到另一个粒子。（另一个团队由意大利物理学家弗朗切斯科·德·马蒂尼领导。）塞林格的团队继续在量子信息科学领域取得了更多“第一”。如今，量子隐形传态已成为构建全球性“量子互联网”的新兴工作的核心。塞林格还参与了成功使用该技术创建中国“墨子号”航天器的工作，这是第一颗量子通信卫星。
2022 年诺贝尔物理学奖联合授予阿兰·阿斯佩、约翰·F·克劳泽和安东·塞林格，“以表彰他们使用纠缠光子进行的实验，确立了对贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学。” 来源：Niklas Elmehed © 诺贝尔奖章外展
在颁奖典礼上，诺贝尔物理学委员会成员伊娃·奥尔森表示，阿斯佩、克劳泽和塞林格的工作“打开了通往另一个世界的大门，并且也动摇了我们解释测量结果的根本基础。”
总的来说，这三人的研究极大地促进了量子信息科学，这是一个科学领域，它支撑着正在进行的竞赛，以开发实用的设备和技术，利用量子原理在计算、通信和密码学领域取得突破。
芝加哥大学的量子物理学家安德鲁·克莱兰说：“阿斯佩、克劳泽和塞林格的工作提供了实用的理论方法和结论性的实验测量，这些方法和测量强调了量子世界和经典世界之间的区别，表明量子物体可以通过纠缠以经典物体不可能的方式相关联。” “他们的工作构成了量子计算和量子通信的根本基础。”
加州理工学院的著名量子信息科学家约翰·普雷斯基尔指出，许多成熟的技术在某种意义上已经是“量子”的了：激光器、磁共振成像仪和数十亿晶体管的计算机芯片都依赖于亚原子尺度上展开的量子力学。“但这些技术，”他说，“只触及了量子理论如何改变我们对宇宙中可能发生的事情的看法的表面。”
普雷斯基尔补充说，“现在世界各地对量子技术的新兴投资都建立在贝尔、克劳泽、阿斯佩和塞林格的开创性工作的科学基础上。”
在宣布获奖后不久的新闻发布会上，塞林格对获奖表示震惊，并感谢已故的赫尔穆特·劳奇（他的学术顾问）以及“多年来与我合作并使这一切成为可能的 100 多名年轻人”的影响。尽管量子纠缠有无数新兴应用，但塞林格表示，最激励他的仍然是它对现实本质提出的谜团。“一些基本问题——最基本的问题‘这到底意味着什么？’——在我看来，在根本上仍然没有答案，”他说。“这是一个新的研究途径。”