详述2022诺贝尔物理学奖：量子纠缠实验史

​北京时间2022年10月4日，2022年诺贝尔物理学奖宣布颁发给法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·克劳瑟（John F. Clauser）、奥地利量子物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）三人，以表彰他们“对纠缠光子进行的实验，证明了对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。

提到三人的贡献，不能不说人类对于量子力学的认知过程。量子力学是物理学的一个分支，它在原子和亚原子领域的粒子尺度上解释自然，这些粒子包括光子、电子和夸克等，其基本思想是这些微观粒子的属性是概率性的。

上帝不掷骰子

众所周知，爱因斯坦既是量子力学的创始人，也是量子力学的批评者。他对这个理论最强烈的抱怨总结在这句话中：“上帝不掷骰子”。几乎每个人都知道这句话，但它到底是什么意思呢？

量子力学是一种非确定性理论，这意味着它不能预测实验的确切结果，它只能预测在实验中执行的每个可能测量的每种可能结果的概率。在爱因斯坦看来，事物应该是实在确定的，不因测量而改变，概率性只是因为现有的量子理论是不完整的。因此，他认为应该有一个潜在的现实隐藏在我们面前（隐变量），量子力学只是这个现实的近似解释。

在量子力学中，量子纠缠被解释为一组粒子发生相互关联而必须以整体方式去描述的物理现象，该组中每个粒子的量子状态均不能独立于其他粒子的状态来描述。如果有两个粒子发生了量子纠缠，观察者通过“观测”确定了一个粒子的量子态，另一个粒子的量子态会同时发生坍缩而确定下来，无论这两个粒子之间的距离相隔多远（比如数亿光年之外），这被称作“非定域性”。玻尔、薛定谔等著名科学家对量子纠缠的非定域性持支持态度。

爱因斯坦和玻尔在辩论

如果粒子之间有某种方式及时地“互通消息”，那必然是一种超距瞬时的信号，而这又与相对论中光速不可超越相违背。因此，量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距离现象”，并质疑这一理论。他与普林斯顿大学的同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）一起在1935年发表了一篇论文，表明量子力学诠释似乎无法提供对现实的完整描述，被称为EPR悖论。爱因斯坦认为处于纠缠状态的粒子之间的相关性正是因为它们包含某种“隐藏变量”。

如何用实验去区分纠缠状态的粒子之间的相关性是源于量子力学内禀的性质，还是源于某种“隐藏变量”呢？

贝尔不等式

约翰·斯图尔特·贝尔

1964年，当时在瑞士欧洲核子研究中心（CERN）工作的北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）对于证明隐变量的存在很感兴趣，他专门研究核物理，研究量子力学主要是一种爱好。他发表了一篇开创性的论文，在其中根据严格的数学推理，并设计了一种实验可以确定这一问题。如果贝尔实验重复多次，所有带有隐变量的理论都会导致结果之间的相关性小于等于某个特定值，这称为贝尔不等式。如果实验的结果违反了这个不等式，就意味着没有隐变量，量子力学对于纠缠的解释才是正确的。

要做纠缠的实验，首先要制备相互纠缠的粒子。美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）此前曾假设在正负电子相遇时会泯灭，并放出一对光子，这一对光子就是相互纠缠的。早在1948 年，在美国哥伦比亚大学吴建雄实验室中，吴建雄和萨科诺夫首次成功地做了这个实验，这也是人类第一次制备出相互纠缠的粒子。但是此时的纠缠粒子不太稳定，无法用于验证贝尔不等式。而贝尔最初打算使用自旋电子对来进行实验验证，但由于实验难度太大一直无法实现。

克劳瑟的实验

约翰·克劳瑟在他的实验设备前

美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的约翰·克劳瑟和研究生斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）是第一个将贝尔的实验从论文带入实验室的人。包括理查德·费曼在内的知名物理学家都不鼓励克劳瑟进行这项实验，认为量子力学不需要进一步的实验证明，但是贝尔亲自写信鼓励克劳瑟完成这项研究。

克劳瑟觉得如果不用自旋电子，而是用纠缠的光量子来做贝尔实验，将更加可行。但是正负电子对撞的能量太大，产生的光子频率太高，也很难实验。

1972年，克劳瑟和弗里德曼利用光的偏振首次成功地完成了贝尔实验。他们提出一个新的办法来获得纠缠光子。用紫外线来照射钙原子，电子有可能被激励到高出两个能级的状态，然后当能量回落时，就有可能连续回落两个能级，并有一定概率出现辐射出两个相互纠缠的光子。使用钙原子时，将辐射出波长分别为 551nm 的绿光光子和 423nm 的蓝光光子。与电子自旋可以取两个不同的方向一样，光量子的极化（偏振）也可以取两个相对于偏光片方向的值之一。

只要发生测量，光子的偏振方向的量子态就会坍缩成一个具体的方向，而且由于纠缠，两个光子的偏振方向必定是相互垂直的。

所以在实验中让两个光子各自通过一个偏振滤光片，这两个滤光偏振角度相互垂直，如果两个光子都通过偏振片或者都不通过偏振片，则说明两个光子的偏振具有相关性，也就是纠缠的。如果一个光子通过偏振，而另一个光子不通过，则两者之间缺乏相关性。

在实验之前，克劳瑟还下了2美元（也有记录说是500美元）的赌注，赌他的实验会证明爱因斯坦是对的。实验结果让他失望了，经过多次光量子实验，其结果违反了贝尔不等式，在微观世界中排除了任何“隐变量”的存在。爱因斯坦是错误的，克劳瑟输掉了他的赌注，但赢回了量子力学的一次巨大胜利。

克劳瑟实验的局限性之一是它在产生和捕捉光量子方面效率较低。制备纠缠光子对非常困难，大概一百万个光子里能有一对纠缠光子。因此，这个实验还是相当艰难，花了克劳瑟和弗里德曼很长时间，累计试验超过 200 多个小时。

更重要的是由于偏光片处于固定角度，因此测量是预设的，这就可能导致这个贝尔实验还有隐变量存在的漏洞。接下来就看另一位获奖者——阿兰·阿斯佩如何去填补克劳瑟实验中的漏洞了。

阿斯佩的实验

阿兰·阿斯佩和他的实验装置

九年以后，也就是1981年，正在攻读博士的阿斯佩也关注了贝尔不等式实验。在他攻读博士学位期间，阿斯佩发表了三篇论文。第一篇论文他把克劳瑟的实验复现出来，并大大改进克劳瑟的方法，提升获得纠缠光子的效率，因此他选择了此时已经较为成熟的激光做为光源去激发钙原子，极大地提高了效率。最终的实验结果比当年的克劳瑟获得的数据高了好几个量级，同样是违背了贝尔不等式，也就是证实了粒子之间存在纠缠，而不是隐变量。

在接下来的第二篇论文中，阿斯佩又利用双通道的方法来提高光子的利用率，减少此前实验中的“侦测漏洞”。这个实验也大获成功，最后以40倍于误差范围的偏离违背了贝尔不等式，再一次强有力地证明了量子力学的正确！

第三篇论文，阿斯佩还将“延迟选择实验”与贝尔实验结合起来，通过发射纠缠光子后，再随机改变偏振片的角度的方式，进一步证明了纠缠光子之间不存在相互传递信号的可能，堵上了隐变量的可能的漏洞。

但是科学界随之就对阿斯佩实验中的这个“随机性”提出了挑战，认为如果随机数生成器和光子发射源在过去通过某种隐藏机制进行过交互，观察者的测量设定，甚至光子本身的一些属性就会因此受到影响，进而使实验观测到一些本不该存在的相关性。为了解决这个问题，近三十年内又做了非常多的贝尔实验，去填补这些可能存在“未知隐变量”的漏洞，安东·蔡林格就是其中的佼佼者。

蔡林格的实验

安东·蔡林格在维也纳的实验室

在奥地利量子光学和量子信息研究所的蔡林格所进行的这个实验是迄今为止最大的一次量子力学检验实验。他的实验依然使用的是纠缠的光子对。实验用6台望远镜和一系列光学设备收集由一些星系于数十亿年前所发出的光，将验证范围扩大至了整个宇宙时空，试图将随机数生成工作外包给宇宙本身，以获取最大的随机性。并且生成不同的随机数的星体之间距离数亿光年，相互之间绝不可能以某种遵循相对论（也就是低于光速）的“隐变量”信号互通信息。

在科学史上，蔡林格的实验被称为“维也纳屋顶实验（the Vienna rooftop experiment）”。他们将纠缠光子源放置在了维也纳大学化学和物理研究所的屋顶上，而光子的检测端分别位于两座建筑中，相距1700米。每当夜晚降临，位于两地的研究人员就会用小型望远镜分别观察天空中南北两个方向上的恒星，而望远镜所收集到的星光则会被传给一个测量波长的仪器，如果星光的波长小于700纳米，仪器会以一种方式生成结果（比如生成数字1），反之亦然。这就是宇宙星体所放出的光子来随机生成0和1来设置测量参数。

而与之前所有的实验一样，维也纳屋顶实验也表明量子力学正确，以及在光子到达地球的 600 年左右的时间里，不存在能对观测设定构成影响的“隐变量”。蔡林格用这种方法，成为第一个为纠缠光子贝尔实验堵住所有的隐变量漏洞的人。

值得一提的是，中国的潘建伟院士在当时是蔡林格的主要助手。由于纠缠光子在几乎真空的太空自由空间中可以畅行很远的距离，因此，将两个纠缠光子的检测端进一步分开，能更强的堵住贝尔实验的漏洞。2017年6月，潘建伟院士的中国团队通过墨子号量子通信实验卫星将纠缠光子对分发到德令哈和丽江两地，实验中创造了1203公里的量子纠缠最远距离记录，实验结果再一次表明了贝尔不等式不成立，这项成果以封面论文的形式发表在《Science》上。

此外作为量子领域的泰斗级宗师，蔡林格的贡献还包括首次实现了量子隐形传态。这是一种利用分散量子纠缠与一些物理讯息（physical information）的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术，是一种全新的通信方式。它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的“超时空传输”，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

1997年，蔡林格的研究团队在室内首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的经典之作。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子隐形传态距离提高到了600米。

总结

克劳泽、阿斯佩、蔡林格这三位诺贝尔奖获得者的实验，前后历时半个世纪，在贝尔天才般的数学洞察和严密推理的指引下，从实验的角度揭示了我们的宇宙本质。它要么是非确定性真实的，这意味着微观粒子的状态在被测量之前是不确定的概率性存在；要么是非局域性的，这意味着微观粒子即使在距离很大的情况下也能瞬时相互影响。这些违反我们宏观世界直觉的现象，为今天的量子计算和量子通信等应用奠定了基础。

克劳泽、阿斯佩、蔡林格这三位诺贝尔奖获得者

最后回到2022年度诺贝尔物理学奖的颁奖理由：“对纠缠光子进行的实验，证明了对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。这个理由再一次证明了光学和光量子对于量子领域乃至整个物理学的基本性和革命性影响。

光量子一直是研究量子力学，推进量子信息科学和开发量子技术的旗舰系统。正是对光的本质的探寻，普朗克对于黑体辐射的光谱分析、爱因斯坦对于光电效应的研究催生了量子力学，而后科学史上一系列经典的实验，包括双缝干涉实验、惠勒延迟选择实验、以及本次诺奖的贝尔实验等，都在逐步揭示了光和其它物质在量子世界中的波粒二象性，干涉、叠加、纠缠等展示出量子世界那迥异而违反直觉的规律。而以激光为代表的光学技术所带来的加工、测量、操纵等全方位的工程技术进步，更是促进了物理、天文学、宇宙学、化学、医学等学科的跨越式发展，据不完全统计，至少有40多位诺贝尔奖获得者的成就与光学相关。

时至今日，量子信息科技的发展一日千里，量子通信已经走向实用，基于光量子的量子通信已经开始形成网络。而随着基础技术和理论方案的不断发展，光量子计算也取得了巨大进展，代表了一条令人兴奋的中大规模处理之路，甚至被认为是实现百万量子比特规模量子计算的必由之路。

随着近年来量子光源的改进、光量子集成平台的发展，改进探测器，新颖的抗噪性理论方法，进一步巩固了光量子作为量子信息处理和量子网络的主要地位，未来光量子必将大有可为。

附：2021年诺奖回顾

此外，在去年的诺贝尔物理学奖将一半颁给了真锅淑郎（Syukuro Manabe）克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）表彰他们“地球气候的物理建模，量化可变性并可靠地预测全球变暖”。另一半颁给了乔治·帕里西 （Giorgio Parisi）表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。

帕里西研究工作涉及自旋玻璃理论，用来解释混沌边缘的复杂现象。帕里西的自旋玻璃理论是在伊辛模型的基础上扩展而成，深刻地揭示了无序体系中的隐藏对称性。伊辛模型很好地给这些混沌与秩序边缘的复杂现象进行了数学建模，具备了很广的跨学科应用，如金融股票市场、种族隔离、政治选择等不同的复杂性问题。伊辛模型的可以用来建模神经网络系统，从而搭建可适应环境、不断学习的机器（Hopfield网络或玻尔兹曼机）。帕里西也正是因为“找到了无序复杂系统中隐藏的模式”而获得了2021年的诺贝尔物理学奖。

文：王珩

编辑：慕一