2022年諾貝爾物理學獎獲得者都幹了什麼—研究量子糾纏的物理學家

2022年10月15日00:30:59 科學 1494

2022年諾貝爾物理學獎授予致力於研究量子怪異性的科學家,約翰·克勞澤、阿蘭·阿斯佩和安東·蔡林格,三人的工作成果表明:自然界比愛因斯坦敢於想像的還要怪異。他們各自獨立開展的工作是在探索量子力學的基礎原理,即支配量子世界行為的怪誕法則。

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通過50年的實驗,他們證實了一種效應的現實性,測量一對相距很遠的粒子中的一個,可以隨即改變另一個粒子的測量結果,不管兩個粒子相距多少光年,這種怪異的現象就被稱為「量子糾纏」,它是量子信息這個新興領域的基礎。

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儘管愛因斯坦是量子理論的創始人之一,但他卻拒絕接受量子力學。愛因斯坦堅信斯賓諾莎的上帝,認為大自然規律就是「上帝」,但是量子力學中的不確定性原理讓他感到不安,在和波爾的爭論中,說出了那句名言——上帝不擲骰子。

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1964年歐洲核子研究中心理論物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾指出了一項可檢測愛因斯坦和量子力學孰是孰非的實驗。貝爾指出如果對糾纏的兩個分離粒子進行獨立測量,那麼結果取決於每一半的隱藏變數,如果隱藏變數不存在,那麼糾纏狀態下的粒子活動則不能用經典理論來解釋,貝爾不等式貝爾定理

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嘗試試驗

克勞澤博士是實施貝爾提出實驗的第一人。他在哥倫比亞大學讀研究生時偶然看到了貝爾的博士論文,意識到這是一件有意義的事情。1972年,克勞澤博士和加利福尼亞大學伯克利分校的研究生斯圖爾特·弗里德曼嘗試進行了貝爾提出的量子糾纏測量實驗。

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實驗中,克勞澤發射了數千個光子,以測量一種名為「偏振」的特性,它只可能有兩種值——上或下。探測器的結果是一系列看似隨機的上下起伏,但是當對兩個探測器的結果進行比較時,這種起伏就有了相配性,而這是經典物理學和愛因斯坦的定律都無法解釋的。宇宙中有某種奇怪的東西處於運動狀態,「糾纏」似乎確有其事。

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勞倫斯伯克利實驗室

賭注漏洞

上世紀70年代,阿佩斯曾在喀麥隆任教3年,並在業餘時間鑽研量子力學(真是強人),後來回到法國,準備解答貝爾博士提出的難題。1982年,阿佩斯和他在巴黎大學的團隊試圖堵住克勞澤的漏洞,他以鈣原子為光子對來源,然後把鈣原子激發到一定能級,當回落時就會釋放一對光子對,實驗巧妙地讓兩個光子飛出12米遠(光子需要飛40ns),中間的一個偏振器每10納秒改變一次對光子偏振進行測量的方向,但當時他也認為愛因斯坦是對的。

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阿佩斯的研究結果讓「糾纏」出來名,使其成為物理學家和工程師可加以利用的一種真實現象。量子語言是適用的,但克勞澤博士在貝爾實驗中還發現了其他的可能漏洞,而要宣布量子物理學家戰勝了愛因斯坦,就要堵住這些漏洞。

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阿佩斯在實驗中以一種有規律的、由此從理論上講可以預測的方式改變偏振方向,光子或探測器由此可有所感知。此時,維也納大學教授蔡林格開始接力。1998年,他給貝爾實驗增加了更多的隨機性,在被糾纏的的粒子飛行狀態下使用隨機數生成器改變偏振測量的方向。量子力學再一次以絕對優勢擊敗愛因斯坦,堵住了「位置性漏洞」。

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儘管如此,還是存在其他會引發批評或偏見的可能源頭。近年來,蔡林格及其合作者們一直在進行「宇宙鍾」實驗,即利用距離這裡數十億光年遠、名為「類星體」的遙遠星體的光線波動作為隨機數生成器去設定探測器方向。

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如今,隨著科學家們對糾纏粒子進行更多實驗,「糾纏」被接受為量子力學的主要特徵之一,並被用於密碼學量子計算和即將出現的「量子互連網」等領域。量子糾纏在密碼學領域取得的最初成果之一是利用糾纏量子對發送信息,這可以安全發送密鑰,因為任何竊聽行為都會徹底破壞量子糾纏,由此可向接受者提示異常狀況。

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