科技日報記者?張夢然

今天獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家——法國科學家阿蘭?阿斯佩、美國科學家約翰?克勞澤、奧地利科學家安東?塞林格，他們通過開創性的實驗展示了處于糾纏狀態的粒子的潛力，這三位獲獎者對實驗工具的開發，也為量子技術的新時代奠定了基礎。

你明白“糾纏”嗎

在所謂的“糾纏對”中，一個粒子發生的事情，會決定另一個粒子發生的事情（不管相距多遠）。這意味著什么？

量子力學的基礎不僅僅是一個理論或哲學問題。其與全世界正密集研發的、以利用單個粒子系統的特殊屬性來構建的量子計算機、改進測量、量子網絡以及量子加密通信，都能息息相關。

以上應用，均需依賴于量子力學如何允許兩個或多個粒子以共享狀態存在，甚至無論它們相隔千山萬水，均能保持這一狀態。

這被稱為糾纏。

糾纏示意圖。

自從該理論提出以來，它一直是量子力學中爭論最多的元素之一。

阿爾伯特·愛因斯坦說這是“幽靈般的超距作用”，而埃爾溫·薛定諤說這是量子力學最重要的特征。

今年的獲獎者們，探索了這些糾纏的量子態，他們的實驗為基于量子信息的新技術掃清了障礙，為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。

兩對糾纏粒子從不同的來源發射。每對粒子中的一個粒子以一種特殊的方式相互糾纏而聚集在一起。然后，其他兩個粒子（圖中的1和4）也被糾纏在一起。通過這種方式，兩個從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。

不斷解決漏洞

長期以來 存在的一個問題是，相關性究竟是不是因為糾纏對中的粒子包含隱藏變量。1960年代，約翰?斯圖爾特?貝爾提出了以他的名字命名的數學不等式。這說明如果 存在隱藏變量，則大量測量結果之間的相關性，永遠不會超過某個值。然而，量子力學預測某種類型的實驗將違反貝爾不等式，從而導致比其他方式可能產生的更強 的相關性。

量 子力學的糾纏對可與反方向拋出相反顏色球的機器相提并論。當鮑勃接住一個球，看到它是黑色的時，他立即知道愛麗絲抓住了一個白色的。在使用隱藏變量的理論 中，球總是包含有關顯示什么顏色的隱藏信息。然而，量子力學說，這些球是灰色的，直到有人看著它們，當一個隨機變成白色而另一個變成黑色時。貝爾不等式關 系表明，有實驗可以區分這些情況。這樣的實驗證明了量子力學的描述是正確的。

約翰?克勞澤發展了貝爾的想法，并通過一個實際的實驗進行測量，測量結果通過明顯違反貝爾不等式來支持量子力學。這意味著，量子力學不能被使用隱藏變量的理論所取代。

約翰?克勞澤研究示意圖。

在約翰?克勞澤的實驗之后，一些漏洞仍然存在。阿蘭?阿斯佩開發了一種新設置，并以一種彌補重要漏洞的方式使用它。他能夠在糾纏對離開其源后切換測量設置，因此在它們發射時既有設置就不會影響結果。

阿蘭?阿斯佩研究示意圖。

使用改良工具和一系列長期實驗，安東?塞林格的團隊利用糾纏量子態證明了一種稱為量子隱形傳態的現象，它可以將量子態從一個粒子移動到遠距離的另一個粒子。

安東?塞林格研究示意圖。

“糾纏態”正從理論走向技術

量子力學現已開始得到應用，并產生了很廣闊的研究領域，其包括量子計算機、量子網絡和更為安全的量子加密通信。

從實踐的角度來說，量子糾纏所代表的，其實是一個巨大資源。科學家們對量子糾纏漏洞的不滿，正源于每一階段可應用范圍的不夠。

諾貝爾物理學委員會主席安德斯?伊爾貝克這樣總結道：“越來越清楚的是，一種新型的量子技術正在出現。我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作非常重要，甚至超出了關于量子力學解釋的基本問題。”

（圖片來源：約翰·賈內斯塔德/瑞典皇家科學院）