解讀2022年諾貝爾物理獎

范桁 龍桂魯

（1.中國科學院物理研究所 100190；2.北京量子信息科學研究院 100193；3.清華大學物理系 100084）

2022年度的諾貝爾物理獎授予法國阿斯佩(A.Aspect)，美國克勞澤(J.F.Clauser)以及奧地利蔡林格(A.Zeilinger)三人，以表彰他們“用糾纏光子的實驗，建立貝爾不等式違背和開創量子信息科學”實驗的貢獻。正如諾貝爾物理獎委員會主席伊爾巴克(A.Irback)所指出的：“越來越明顯，新的量子技術已經出現，我們可以看到，獲獎人關于糾纏態的工作非常重要，甚至超越了量子力學詮釋這樣的基本問題”。2022年度的諾獎物理獎的獲獎工作的意義，主要體現在其對量子信息科學的開創性和奠基性的實驗的貢獻。事實上，量子計算和量子信息處理的基本機制和運行原理，直接依賴于今年諾獎工作所打下的基礎。

那么今年諾貝爾物理學獎具體解決的又是什么問題呢？首先是量子糾纏實驗。在數學上，糾纏狀態就是兩個粒子組成的體系的波函數不能進行因式分解的波函數。這種狀態是我們平常生活中看不到的，具有非常奇特的性質。1935 年，愛因斯坦不喜歡量子力學，為了和玻爾辯論，他和兩個助手，Podolsky，Rosen 一起構造了一種動量和位置的量子糾纏態，在對兩個空間分離的糾纏粒子分別進行測量時，測量的結果是關聯的，不管是同時測量還是延遲測量，一個的測量結果定了，另外一個粒子的測量結果也就知道了，而這種關聯并不依賴于距離，好像這兩個粒子之間存在一種超距作用似的。在經典物理學和我們的日常生活中，相距遙遠的兩個粒子之間是不存在相互作用的，對其中一個的操作，也不會影響到遠處的另一個粒子。而根據量子力學的推斷，對其中一個粒子的測量，其結果不同，就會導致遠處粒子的狀態的變化。愛因斯坦認為，遠處的粒子的狀態是確定的，只有一個物理實在，而量子力學的推斷卻是多個，一個完備的理論對于一個物理實在應該只有一個描述，因此量子力學是非完備的。這一量子糾纏推論后來就被稱為EPR佯謬。

同年稍后時間，薛定諤意識到空間分離的兩個粒子會形成量子糾纏的特殊狀態。如果這兩個糾纏的粒子一個是微觀的，比如是一個原子，而另一個是宏觀的，如是一只貓，量子糾纏將會導致奇異性。原子狀態是用來控制致命毒藥開關的，如果原子處在激發態，毒藥開關沒有打開，貓是活的，這是一種狀態。如果原子處在基態，毒藥開關打開，放出毒藥，貓是死的，這是另外一種狀態。而量子糾纏態就是把這兩種狀態疊加在一起，從而形成死貓和活貓以及伴隨原子狀態的疊加態，既非死也非活，這就是著名的薛定諤的貓。當然，這種狀態只是一種想象的狀態，在實際上很難制備這樣的狀態，一則是貓是一個包含許多粒子的宏觀體系，很難把貓的狀態和原子的狀態耦合糾纏，另外一個根本性的原因，活貓和死貓是兩個不同時間的狀態，需要打破因果律，才能把這兩種狀態疊加起來，因此薛定諤所描述的這種貓態至今也沒有制備出來。而后來在實驗上報道的薛定諤貓態都是以空間換時間，把同一時間在不同地點的狀態疊加起來，宏觀的貓也換成了粒子數目大大減少的多粒子體系，如用多個電子(十幾個)來代表貓，而用在兩個不同的量子點來作為“原子”，這樣電子團在左邊量子點和電子團在右邊的量子點狀態的疊加，就是后來實驗上實現的薛定諤“貓態”，這種貓態不是死貓和活貓的糾纏態，而是貓在左邊和貓在右邊的糾纏態。

人們猜想粒子受到某種未被揭示的機制、或看不見的隱變量的約束，將其稱為隱變量理論，因而才會呈現出這種奇怪的現象。1952 年波姆提出了隱變量理論，該理論中量子力學仍是定域且實在的，定域就是指粒子只受本地的因素影響，在事件發生時間內，光速傳播不到的區域的事件不會對此地有影響，而EPR佯謬的出現是我們對隱變量的無知所造成的。所謂實在性是說一個物理量，不管我們測量還是不測量，其大小是確定的，并不因為我們是否測量而改變，就如我們看不看月亮，月亮依然存在這個事實是確定的。但量子力學并不滿足這個性質，因為對量子態的測量，每次測量結果是隨機的，多次測量的統計平均才能反映其振幅信息，同時量子糾纏也不滿足定域性要求。

為了理解隱變量理論，人們經常用生活中例子來說明，比如有黑白球各一，隨機拿出一個裝箱發送給分別處于北京和上海的兩人，當他們任何一個打開箱子，如果他知道是黑白各一的事實，他可以通過自己拿到球的顏色，知道另一個人所拿到球的顏色，正是這個隱含條件造成了結果的關聯性。波姆理論中量子力學就像這樣，世界仍然是定域實在的，只不過黑白各一球這樣的條件我們不知道，EPR中兩個粒子在分開時，它們的狀態已經確定相反了，而不是量子力學理論預言的在測量時由于超距作用才決定的。

到這里問題就變成了：如何判斷EPR佯謬現象是由隱變量引起，而我們無知造成的，還是按照量子力學的那種由糾纏的波函數和測量假設所推斷出來的，就像有幽靈般超距作用一樣？這就是貝爾不等式所解決的重要問題。

貝爾在20世紀60年代提出了一個不等式，被廣為稱為貝爾不等式(Bell inequality)。他經過深入思考，發現隱變量理論將滿足一種不等式，這個隱變量可以有復雜的分布，所以涵蓋了廣泛的各種情況，而按照量子力學的測量理論將會發現這個不等式在一些情況下會被違背，這樣就可以用實驗來檢驗這個不等式到底是否成立，如果實驗結果違背這個不等式，那就說明隱變量理論不對，量子力學正確。今年諾貝爾物理學獎獲得者正是因為用實驗，從粗糙到精致，嚴格檢驗了貝爾不等式違背，從而獲獎。

具體來講貝爾不等式及其等價形式，Bell-CHSH不等式(統稱為貝爾不等式)，如果要被違反需要滿足一些基本條件：首先必須有高質量的量子糾纏態，其糾纏保真度要盡量高，同時糾纏的粒子之間的距離要足夠遠，單次實驗時間內要超過光速能夠達到的距離。貝爾不等式要求對兩個糾纏粒子分別用兩組基進行測量，而兩組基的選取是隨機的，互不干擾，另外必須采取復合測量的形式，即必須使得兩地測量的結果是來自同一糾纏對的，非定域性要求貝爾不等式的測量結果應排除兩個粒子間信息傳遞或者相互作用的影響，也就是說得到兩個測量結果所花費的時間，要小于光速傳遞的時間。這些條件不容易滿足，包括如何選取隨機數都需要仔細考慮。

三位獲獎者在貝爾不等式的違背系列實驗中做出了奠基性工作，獲獎者阿斯佩(Aspect)和克勞澤(Clauser)的貢獻，主要體現在量子力學基本原理方面，而獲獎者蔡林格(Zeilinger)的貢獻是量子力學基本原理和量子信息基礎兩個方面。

應該指出，量子力學的正確性已被普遍接受，并在科學研究和第一代量子革命中普遍應用，所以今年諾獎的工作不能簡單地理解為驗證了量子力學，而是對量子糾纏性質在更嚴格意義下進行了檢驗，并為量子信息科學奠定了基礎。量子計算和量子信息研究正是基于這些性質，通過量子態調控和測量來進行計算、通信和精密測量，以獲得超越現有經典技術的優勢。量子計算在解決某些問題時，其能力超越了現有的計算機，包括超級計算機，而量子計算的優勢來自兩個方面，其天然的并行計算特征和多量子比特所帶來的指數加速能力，依賴于疊加性和糾纏特性，也就是超越定域實在性特點。而如果沒有量子糾纏，量子計算將沒有優勢，今年諾獎的工作就是夯實了這些基礎認知，是量子計算的基礎。

在介紹諾獎的背景科學材料中，有相當篇幅論述量子糾纏應用，如量子中繼和量子網絡，以及基于糾纏態量子秘鑰分發等最新進展，中國團隊墨子號的糾纏分發等幾個工作也是重要的近期進展。

諾獎背景材料中指出，歐盟的“量子技術旗艦”計劃開展四個方向的研究：量子計算，量子模擬，量子通信，量子計量和傳感，體現了對量子科技的重視，2022年物理諾獎猶如吹響了量子科技競爭的號角，后續更深入的基礎科學探索和更大的技術進步及應用也期待大家的共同努力，特別是中國科學家的努力。