今年量子糾纏真的獲得諾貝爾獎了！這種理論值得獲獎嗎？

2022年10月15日23:42:25 科學 1403

量子糾纏是2022年諾貝爾物理學獎的核心，它是因為愛因斯坦認為不可能進行的測量而獲得的，而我們從這些實驗中獲得的理解對於今天的量子計算來說至關重要，所以這項工作的重要性是什麼？他們證明了什麼？這種理論是否值得獲獎？

首先，讓我們討論一下量子力學的出現，在量子力學出現之前，我們認為世界是確定性的，也就是說，如果我們事先知道關於系統的足夠信息，那麼原則上我們可以在未來決定關於系統的一切，不幸的是，對於決定論者來說，我們最終遇到了量子力學，而量子力學在決定論方面背道而馳。

就其本質而言，概率論在當時對包括愛因斯坦在內的許多科學家來說並不適用，證明量子力學具有這種性質是2022年量子力學早期諾貝爾獎的重要組成部分。在此之前，科學家們發現並提出了許多理論，但有一種想法認為，量子力學的力學框架只是現實的摹本，儘管做出了非常好的預測，但仍然有一個更基本的理論來解釋一切，因此當前的框架可以很好地預測荒謬的結果，因此愛因斯坦堅信量子力學為了證明這一點，力學確實是不完整的。

1935年，愛因斯坦和另外兩位作者發表了一篇論文，題目是《物理現實的量子力學描述是否可以被認為是完整的》。他們概述了一個思想實驗，這被稱為愛因斯坦-波多斯基-羅森悖論或簡稱epr悖論，思想實驗必須與量子有關，而糾纏——是兩個量子系統之間的一種關聯狀態，假設你有兩個電子自旋，可以是自旋向上或自旋向下，這兩個電子的糾纏會產生一種有趣的狀態，如果其中一個電子被測量為自旋向上，那麼另一個一定處於自旋向下狀態，這是量子物體各自性質的結果。

電子可以被描述為波函數，即當你測量波函數時，每個粒子的波函數是不同的，當兩個粒子糾纏在一起時，通過測量，我們會破壞波函數，如果你測量其中一個電子，波這兩個粒子的函數會崩潰，這是思想實驗的關鍵，如果你把兩個糾纏的粒子分開，然後把它們分開很遠，我們可以說它們在這種狀態下被分開幾光秒，如果你可以測量其中一個電子態，比如說在自旋上升時，另一個電子會立即變成自旋下降。愛因斯坦將這種波函數坍縮稱為「幽靈作用距離」，並指出，一定有一些隱藏的變量可以預先知道它們的狀態，因此沒有信息傳播速度比光速快。

愛因斯坦認為，在粒子形成之前分開後，他們決定了哪一個會變成自旋向上，哪一個將變成自旋向下，多年來，人類沒有辦法區分愛因斯坦的隱變量理論和標準量子力學糾纏之間的區別，直到1964年，約翰·貝爾才提出，確實有一種方法可以測試隱變量是否為真，這個測試將被稱為貝爾不等式，這種測試是通過測量一個量子態，即我們選擇如何測量它的方法，這一切都取決於你如何測量它們。

約翰·貝爾說，在這個場景中，你測量一個電子，看看它是上旋還是下旋，然後然後在坐標軸的Z方向和X方向之間的一個角度測量第二個電子，最後會發現隱藏變量和量子力學之間的結果存在差異。

今年有三個人獲得了2022年諾貝爾物理學獎，約翰·克勞瑟，阿蘭·阿斯佩克和安東·澤林格，他們被授予了糾纏光子實驗，證明了對貝爾不等式的違反，以及進行貝爾提出的實驗的先驅測試。事實上量子信息科學實際上相當困難，需要非常快速地進行非常精確的測量，而當時量子計算並不像現在一樣流行，事實上在當時它就和不存在一樣，所以沒有人真正有興趣證明貝爾理論畢竟很難，也沒有回報。

但儘管如此約翰·克勞澤在1972年進行了這項實驗，結果表明量子力學確實有效，而且不存在隱藏變量。然後在1982年，艾倫方面進行了一個更為嚴格的貝爾測試，它彌補了一些人認為允許隱藏變量仍然是正確的，這兩個主要實驗獲得了諾貝爾獎，然後在20世紀90年代，安東·澤林格對糾纏態進行了測量，以證明所謂的量子隱形傳態。基本上，如果你取兩個糾纏電子，一個與第三個電子相互作用，那麼糾纏態就可以被轉移。這個概念對任何形式的量子來說都是至關重要的通信，正因為如此，對於今天進行的許多量子通信研究來說，都是至關重要的。