2022年諾貝爾物理學獎得主。圖/諾貝爾獎委員會官網
據新華社報道，瑞典皇家科學院10月4日宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在「糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學」方面所做出的貢獻。
對於一般人來說，量子科學和量子糾纏是極為高端的理論，絕大部分人都不可能懂得和理解。對此，瑞典皇家科學院的解釋也盡量通俗化，簡要描述了阿斯佩、克勞澤和蔡林格的研究成果。他們三人各自使用糾纏量子態進行了開創性實驗，其中兩個粒子即使在分離時也表現得像一個單元。他們的結果為基於量子信息的新技術掃清了道路。
什麼是量子糾纏？
量子力學有不可言喻的巨大影響，並且開始得到應用。量子力學的應用領域並非以前認為的是非常尖端和有很大的局限性，而是有寬廣的研究和利用領域，包括量子計算機、量子網路和安全的量子加密通信。量子力學應用和發展的一個關鍵因素是，如何允許兩個或多個粒子以所謂的「糾纏態」存在。「糾纏態」中的一個粒子發生的事情，會決定另一個粒子發生的事情，即使它們相距很遠。
顯然，瑞典皇家科學院的解釋也沒有辦法讓太多的人弄懂，因此，可以再降維一些來解釋，並結合量子通信來理解。所謂量子是指能表現出某物質或物理量特性的最小單元。一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，這個物理量是量子化的，並把最小單位稱為量子。
粒子又是指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分。因此，物理學上把由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象稱為量子糾纏。愛因斯坦將量子糾纏稱為「幽靈般超距作用」（鬼魂似的遠距離相互操作作用），而且，愛因斯坦在注意到糾纏量子態令人費解的性質後，懷疑量子力學不是一個完整的理論。
通俗地講，量子糾纏就是最小的物質，如粒子（光子）、原子之間的接觸、疊加、纏繞，好似信息傳遞和交流的混沌狀態，正因為有這樣的交流，可以讓量子通信、量子計算機、量子互聯網得以實現。然而，信息的傳播需要媒介，如空氣（聲波）、水（波）、電（波）和光纖等，有了這些媒介，還需要對信息的兼容和理解（如同一語言，英語或漢語），以及信息抵達時接收的介面。
2022年諾貝爾物理學獎公布現場。圖/新華社
量子糾纏的用武之地
現在，人類的通信有QQ、微信等，即便如此，人們也還感到比較慢，而且並不安全，因此量子糾纏就有了用武之地。
2010年，美國加州理工學院研究團隊實現了4個量子介面之間的糾纏。之後清華大學段路明團隊通過光束復分技術，在實驗中首次實現了25個量子介面之間的量子糾纏，比此前最高紀錄的4個量子介面之間的糾纏提高了約6倍。這也意味著未來不僅通過量子介面可以實現量子通信和量子互聯網的聯網，而且通信和網速將極大地提高。
此外，公開資料顯示，2017年，中國科學院院士潘建偉等人利用「墨子號」量子科學實驗衛星進行試驗，在1200千米的通信距離上，以衛星上量子誘騙態光源平均每秒發送4000萬個信號光子，一次過軌對接實驗可生成300kbit的安全密鑰，平均成碼率可達1.1kbps。
這個技術稱為星地雙向量子糾纏分發，其傳輸效率比目前同等距離地面光纖信道高出20個數量級，即提升萬億億倍。這好比一個人步行到火星（如果有道路的話）與光速（光波或電磁波在真空或介質中的傳播速度，每秒30萬千米）到達火星之間的差距。
2018年，芬蘭阿爾託大學教授麥卡·習嵐帕團隊成功地對兩個獨自振動的鼓膜進行了量子糾纏。每個鼓膜的寬度只有15微米，約為頭髮的寬度，是由1015個金屬鋁原子製成。通過超導微波電路，在接近絕對零度（-273°C）下，兩個鼓膜持續進行了約30分鐘的互動。
這些研究已經證明，量子糾纏並非鬼魅的相互操作，也非心靈感應，而是實際存在。但是，它們是基於阿斯佩、克勞澤和蔡林格的研究成果。
關鍵在於，上世紀60 年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了貝爾不等式，說明如果存在隱藏變數，則大量測量結果之間的相關性永遠不會超過某個值。然而，克勞澤設計了實驗進行測量，通過明顯違反貝爾不等式證明了量子力學的實際意義，意味著量子力學不能被使用隱藏變數的理論所取代。
阿斯佩也設計了一個實驗，證明兩個粒子的波函數之間的相關性仍然存在，因為它們曾經是相同波函數的一部分，而在測量其中一個粒子之前是沒有受到干擾的。
蔡林格團隊則通過實驗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一個粒子。
有了這三人的開創性工作，現在量子通信和量子計算機已初顯端倪。2019年，谷歌公司稱，他們已經能夠利用一台53量子比特的量子計算機，實現傳統計算機無法完成的任務。這一量子計算機在3分20秒內完成特定任務的運算，如果讓目前世界性能最好的超級計算機之一——美國能源部橡樹嶺國家實驗室的Summit執行同樣任務，大約需要一萬年時間。
儘管後來谷歌撤回了這一論文，但也說明，量子力學和量子糾纏將在網路、IT和計算機方面大有用武之地。所有這一切都有賴於阿斯佩、克勞澤和蔡林格的研究成果。今年的諾貝爾物理學獎授予他們正是對量子力學和量子糾纏理論的承認。
不過，未來這一理論可能還要經受長期的檢驗。
撰稿 / 張田勘（專欄作者）
編輯 / 馬小龍
校對 /劉越
