瑞典當?shù)貢r間2022年10月4日11時45分（北京時間10月4日17時45分），諾貝爾獎委員會宣布將2022年物理學獎頒給法國物理學家Alain Aspect、美國物理學家John F。 Clauser、奧地利物理學家Anton Zeilinger以表彰“用糾纏光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創(chuàng)了量子信息學”。

　　諾獎委員會在其官方介紹中稱，量子力學現(xiàn)在已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計算機、量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。

　　諾貝爾物理學委員會主席Anders Irb?ck說：“越來越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎?wù)邔m纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題”。

　　北京計算科學研究中心教授薛鵬提前猜中了今年的獲獎?wù)?，她向“返樸”表示，這三位獲獎?wù)邔嵵撩麣w。下文是薛教授對今年獲獎工作的科普介紹。

　　撰文 | 薛鵬

　　在2010年，法國的阿蘭·艾斯佩特（Alain Aspect）、美國的約翰·柯羅瑟（John Clauser）、和奧地利的安東·吉林哲（Anton Zeilinger）三位物理學家“因其在量子物理學基礎(chǔ)上的基本概念和實驗貢獻，特別是一系列日益復雜的貝爾不等式測試，而獲得沃爾夫獎（Wolf Prize）”。

　　美國物理聯(lián)合會旗下科普網(wǎng)站Inside Science于2019，2020，2021連續(xù)三年預測該三位物理學家獎獲得諾貝爾物理學獎。

　　愛因斯坦認為量子糾纏這種超距相互作用是不可思議的，違背了狹義相對論。與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一個思想實驗，就是著名的EPR佯謬。描述了A、B為自旋1/2的粒子，初始總自旋為零。假設(shè)粒子有兩種可能的自旋，分別是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋為 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持總體守恒，反之亦然。這時我們說，這兩個粒子構(gòu)成了量子糾纏態(tài)。

　　兩個粒子 A 和 B 朝相反方向飛奔，它們相距越來越遠，越來越遠……。無論相距多遠，它們應該永遠是 |上>|下> 關(guān)聯(lián)的。兩邊分別由觀察者 Alice 和 Bob 對兩個粒子進行測量。根據(jù)量子力學的說法，只要Alice 和Bob 還沒有進行測量，每一個粒子都應該處于某種疊加態(tài)，比如說，|上>、|下> 各為 50% 概率的疊加態(tài)。然后，如果 Alice 對 A 進行測量，A 的疊加態(tài)便在一瞬間坍縮了，比如，坍縮成了 |上>?，F(xiàn)在，問題就來了：既然 Alice 已經(jīng)測量到 A 為 |上>，因為守恒的緣故，B 就一定要為 |下>。但是，此時的 A 和 B 之間已經(jīng)相隔非常遙遠，比如說幾萬光年吧，按照量子力學的理論，B 也應該是|上>和|下>各一半的概率，為什么它能夠做到總是選擇|下>呢？除非A 粒子和B粒子之間有某種方式及時地“互通消息”？即使假設(shè)它們能夠互相感知，那也似乎是一種超距瞬時的信號！而這超距作用又是與相對論中光速不可超越相違背。于是，這就構(gòu)成了佯謬。

　　因此他認為量子力學是不完備的，他希望建立一個更普適的局域?qū)嵲谡摾碚搧韽浹a量子理論的不足，消除超距作用。作為愛因斯坦思想的繼承人，玻姆在1952年在引入了 “隱變量”，在局域?qū)嵲谡摰幕A(chǔ)上形成了一個完全決定性的理論——局域隱變量理論。下面就是要實驗驗證究竟是量子力學理論正確且完備還是局域隱變量理論正確且完備。

　　而貝爾定理的實驗驗證是一個物理實驗，旨在測試量子力學理論與局域隱變量理論哪個正確。1964年，John Bell定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預言的測量值都不大于2。而用量子力學理論，可以得出其最大值可以到2√2。一旦實驗測量的結(jié)果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。

　　貝爾不等式的誕生，宣告了量子力學理論的局域性爭議，從帶哲學色彩純粹思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學理論。雖然貝爾作為一個愛因斯坦的追隨者，其研究隱變量理論的初衷是要證明量子力學的非局域性有誤，可后來所有的實驗都表明局域隱變量理論預言有誤，而量子理論的預言與實驗一致。

　　1972年，John Clauser和Stuart Freedman在加州大學柏克萊分校完成第一次貝爾定理實驗，因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之間距離太小，不足以說明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有說服力。

　　1982年，Alan Aspect等人在巴黎第十一大學改進Clauser和Freedman貝爾定理實驗，實驗結(jié)果違反貝爾定理。

　　1998年，Anton Zeilinger等人在奧地利因斯布魯克大學完成貝爾定理實驗，徹底排除定域性漏洞，實驗結(jié)果具有決定性。

　　2015年，荷蘭Delft技術(shù)大學的Ronald Hanson研究組報道了他們在金剛石色心系統(tǒng)中完成的驗證貝爾不等式的實驗。要避免局域性漏洞，只需把兩個金剛石色心放置在相距1.3公里的兩個實驗室。利用糾纏光子對和糾纏交換技術(shù)，他們實現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏。兩個色心直接用光通訊所需時間大概4.27微秒，而完成一次實驗的時間為4.18微秒，比光通信時間少90納秒，因此解決了局域性漏洞。此外，色心的測量效率高達96%，測量漏洞也被堵上了?？傊麄兟暦Q實現(xiàn)了無漏洞的驗證貝爾不等式的實驗，在96%的置信度（2.1個標準差）上支持量子理論，從而證偽了局域的隱變量理論。

　　2016年，大貝爾實驗（the Big Bell Test）展開，并召集到世界各地超過10萬名志愿者。在實驗中，所有志愿者都需要基于個人的自由意志不斷地進行選擇形成二進制隨機數(shù)，在過關(guān)游戲中快速隨機地按下0或者1，12小時內(nèi)共持續(xù)產(chǎn)生每秒逾1000比特的數(shù)據(jù)流，全部記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端，并被實時和隨機地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團隊，用以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗。大貝爾實驗相信人類擁有真正的自由意志，通過大量參與者的自由意志，大貝爾實驗在更廣泛的范圍內(nèi)關(guān)閉自由選擇漏洞，強烈否定愛因斯坦的定域性原理。

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