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量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖

2022-10-05 11:01阅读：

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量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
他们说没有人理解量子力学。但幸亏这三个量子纠缠中的先驱，也许我们理解。
STARTS WITH A BANG — OCTOBER 4, 2022
Ethan Siegel
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖

两个纠缠粒子的描画，在空间中分隔开并且每个粒子都有不确定的属性直到它们被测量为止。纠缠对中没有一个成员存在在一个特定的状态直到一个测量发生的临界时刻为止实验上已被确定：这是使许多现代量子技术成为可能的关键方面。(Credit: Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)
关键要点
对几代人，科学家们就对甚至量子粒子是否
真的有一个客观的、可预测的现实或是否“量子诡异性”对物理系统是固有的争论了。
在20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔开发了一个描述两个纠缠粒子之间最大可能的统计共相关性：贝尔不等性。
但某些实验可能违反贝尔的不等性，而这三位先驱------约翰·克劳瑟、阿兰·斯佩特和安东·泽林格------帮助了使量子信息系统成为一门真正科学。
有一个简单但深刻的问题，物理学家们尽管我们都已经了解了关于宇宙的问题却不能根本上回答：“什么是真实的？” 我们知道粒子存在，我们知道粒子当你测量它们时有某些属性。但我们也知道测量一个量子态的非常行为------或甚至允许两个量子来与彼此相互作用-------能根本上改变或决定你测量的。一个没有一个观察者的动做的客观现实，确实以任何种的基本方式不出现来存在的。
但这并不意味着没有自然必须遵守的法则。这些规则存在，即便它们来理解是困难的和反直觉的。不是就一种哲学方法对另一种来揭开现实的真正量子本质争论，而是我们能转向到恰当设计的实验。甚至两个纠缠的量子态一定遵守一定的法则，而这正在导致量子信息科学的发展：一个有潜在的革命性应用的新兴领域。2022年的诺贝尔物理学奖刚刚宣布了，它被授予约翰·克劳瑟、阿兰·斯佩特和安东·泽林格因为量子信息系统、纠缠光子和违反贝尔的不等性的开创发展。这是一个早就该来的诺贝尔奖，而它背后的科学特别的弯曲思维的。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
2022年诺贝尔物理学奖的三位得主的艺术品，因为用纠缠的粒子实验确立了贝尔的不等性违反并且开创了量子信息科学。从左到右，三位诺贝尔奖得主分别是阿兰·阿斯佩特、约翰·克劳泽和安东·泽林格。(Credit: The Nobel Prize in Physics, 2022)
有我们能做的各种各样的说明我们的量子现实的不确定性质的实验。
在一个容器内放置许多放射性原子并等待一段特定量的时间。你能预测平均上有多少原子仍然对多少原子已经衰变了，但你没有来预测哪些原子会存活和不会存活。我们只能得到统计概率。
通过一个狭窄的双狭缝发射一系列的粒子，你将能够预测在它后面的屏幕上将发生什么模式的干涉图案。然而，对每个单独的粒子，甚至当一次发送通过一个狭缝时，你不能预测它将登陆在的地方。
让一系列的粒子（拥有量子自旋）通过一个磁场而一半会“向上”偏转同时一半会沿磁场的方向“向下”偏转。如果你不让它们通过另一个垂直的磁铁，它们将仍然维持它们的自旋在那个方向中；然而，如果你这样做了它们的自旋方向将再次变成随机的。
量子物理学的某些方面似乎是完全随机的。但它们真的是随机还是它们只看起来随机的，因为我们关于这些系统的信息被限制不足以来揭示一个支撑的、确定性的现实呢？自从量子力学的黎明以来，物理学家们就这个已经争论了，从爱因斯坦到玻尔和超过他们的人。
spookiness
当一个有量子自旋的粒子通过了一个定向磁铁时，它将分裂进至少两个方向中，这取决于自旋方向。如果另一个磁铁被设置在同一方向中，没有进一步的分裂将跟着发生。然而，如果一个第三个磁体以垂直的方向被插入到这两者之间，不仅粒子将在向新的方向中分裂，而且你已经获得的关于原始方向的信息被破坏，留下这些粒子当它们通过最后的磁体时再次分裂。(Credit: MJasK/Wikimedia Commons)
但在物理学中，我们不是基于争论决定问题而是靠实验。如果我们能写下规制现实的法则------并且我们有一个相当好的怎样为量子系统来做的想法------那么我们能推导系统的预期的概率行为。给定一个足够好的测量设置和仪器，我们能然后实验上测试我们的预测并基于我们观察的得出结论。
如果我们是聪明的，我们甚至可以潜在的设计一个可以测试一些关于现实的极端深的想法的实验，诸如对量子系统的本质是否有一个基本的不确定性直到它们被测量时刻为止，或者是否有某种类型的“隐藏变量”支撑我们的现实预先决定结果是什么甚至在我们测量它之前。
一种特殊类型的导致了许多关于这个问题的关键洞察的量子系统是相对的简单的：一个纠缠的量子系统。所有你需要做的就是创建一对纠缠的粒子，在那里一个粒子的量子态被共相关到另一个粒子的量子态。虽然单个的两者有完全随机的、不确定的量子态，但当拿在了一起时两个量子之间的属性应该是共相关的。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
量子力学的纠缠对能被比作一个以相反的方向扔出相反颜色的球的机器。当鲍勃接到一个球并看球是黑的，他立刻的知道爱丽丝已经抓住了一个白色的球。在一个用隐藏变量的理论中，这些球总是已经包含着关于要显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学说这些球是灰色的直到有人观察了它们为止，当时一个随机的变成白色另一个变成黑色。贝尔不等性表明有能区分这些情况之间的实验。这样的实验已经证明了量子力学的描述是正确的。(Credit: Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)
甚至在外套上，这似乎诡异的，甚至对量子力学。一般来说对任何信号能多快的旅行------包括任何类型的信息------有一个速度限制：以光的速度。但如果你：
创造一对纠缠的粒子，
然后把它们隔开很大距离，
然后测量其中一个粒子的量子态，
另一个粒子的量子态突然的被确定，
不是以光速而是瞬间的。
这现在已经被跨数百公里（或英里）距离在100纳秒以下的时间间隔内演示。如果信息被在这两个纠缠的粒子之间传输，它被以至少比光更快数千倍的速度交换。
然而，这并不像你想象的那么简单的。例如，如果其中一个粒子被测量为“自旋向上”，但这并不意味着另一个粒子将100%的“自旋向下”。相反，它意味着另一个是要么“自旋向上”要么“自旋向下”的可能性能被用某种统计程度的准确性预测：超过50%，但小于100%，取决于你的实验设置。这一属性的特征被约翰·斯图尔特·贝尔在20世纪60年代推导，他的贝尔不等性确保两个纠缠的粒子的测量状态之间的共相关性可能永远不超过一定的值。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
通过让一个源发射一对纠缠的光子，每个光子终结在两个隔开的观察者手中，光子的独立测量能被进行。结果应该是随机的，但汇总的结果应该显示共相关性。是否这些共相关性被局部实在论限制取决于是否它们遵守或违反贝尔的不等性。(Credit: APS/Alan Stonebreaker)
或者而是这些纠缠态之间的测量的共相关性如果存在隐藏的变量永远不会超过一定的值，但标准的量子力学------没有隐藏的变量------会必然的违反贝尔的不等性，造成在正确的实验情况下比预期的更强的共相关性。贝尔预测了这个，但不幸的是他预测的方式是不可测试的。
这就是今年的诺贝尔物理学奖得主的巨大进展进来的地方。
第一个是约翰·克劳瑟的工作。克劳瑟做的工作类型是种物理学家往往严重低估的理论：他采用了贝尔的深刻的、技术上正确但不切实际的工作并开发了它们以便建立一个测试它们的实际实验能被构成。他的现在被称为CHSH不等性背后的“C”：在那里一对纠缠的粒子的每个成员都在一个观察者手中，观察者有一个来在两个垂直方向中的一个方向中测量他们的粒子的自旋的选择。如果现实独立于观察者存在，那么每个单个测量的一定服从不等性；如果不存在，就像标准量子力学一样，不等性能被违反。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
实验上测量的比值R（）/R_0为一个偏振器的轴之间的角度的函数。实线与数据点不拟合，而是由量子力学预测的偏振共相关性刚好如此碰巧以致数据与理论预测一致到一个报警的精度，一个不能被两个光子之间的局部真的共相关性解释的。(Credit: S. Freedman, PhD Thesis/LBNL, 1972)
克劳瑟不仅以这样一种它可以被测试的方式推导了这个不等性，而且他自己和当时的博士生斯图尔特·弗里德曼一起设计并执行了这个关键的实验，确实它做了事实上违反贝尔（和CHSH）不等性。突然之间局部隐藏的变量理论被证明与我们的宇宙的量子现实相冲突：一个真的值诺贝尔奖的成就！
但就像在所有的东西一样，我们能从这个实验的结果得出的结论仅好的像支撑这个实验本身的假设一样。克劳瑟的工作没有漏洞还是可能有某种特殊类型的仍然可能与他的测量结果一致的隐藏变量呢？
这就是今年第二位诺贝尔奖得主阿兰·阿斯科特的工作进来的地方。阿斯科特意识到如果两个观察者处在彼此因果联系中------也就是说，如果他们一个可以以光速发送一个消息到另一个关于他们的实验结果，而那个结果可以在其他观察者测量了结果之前接收到------然后一个观察者的选择测量可能影响另一个的。这就是阿斯科意味了要闭合的漏洞。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
测试量子非局域性的第三个阿斯科特的实验示意图。来自源的纠缠光子被发送到两个将它们定向到偏振探测器的快速开关。开关非常快的改变设置，效果上改变光子在飞行时实验的探测器设置。(Credit: Chad Orzel)
在20世纪80年代早期，阿斯科特与合作者菲利普·格兰奇、杰拉德·罗杰和让·达利巴德一起进行了一系列深刻的实验，极大地改进了在克劳泽的许多方面上的工作。
他建立了一个贝尔的不等性到远更大意义30多标准差而不是克劳瑟的约6的违反。
他比以往任何时候建立了一个更大的违反贝尔的不等性------理论最大值的83%，而在之前的实验中不超过最大值的55%。
而且，通过快速的、连续的随机化用在他的设置中的每个光子会体验的偏振器的方向，他确保了两个观察者之间的任何“隐形沟通”会必须以显著的超过光速的速度发生，闭合关键的漏洞。.
最后一个壮举是最重大意义的，这个关键的实验现在被广泛称为第三阿斯科特实验。如果阿斯科特没有做另外的其他事情，来证明量子力学与局部的、真的隐藏变量的不一致性的能力靠它本身就是一个深刻的、值诺贝尔奖的进步。
quantum mechanics
通过从一个前存在的系统创建两个纠缠光子并将它们分开很远的距离，我们能观察到它们之间显示的共相关性，甚至从超常不同的位置。量子物理的既要求局部性和现实性的解释不能解释无数的观察，但与标准量子力学一致的多种解释似乎都同样好的。(Credit: Melissa Meister/ThorLabs)
但然而一些物理学家想要更多的。毕竟，偏振设置是真的是随机的确定的还是设置仅是伪随机的：在那里一些看不见的信号或许以光速或更慢旅行被在两个观察者之间传输解释它们之间的共相关性呢？
唯一来真正关闭后者漏洞的方法将是来创建两个纠缠的粒子，分隔开它们一个非常大的距离同时仍然维持它们的纠缠，然后执行尽可能接近同时的关键测量，确保两个测量字面上是在每个单独的观察者光锥之外。
只有每个观察者的测量能被建立到真正独立于彼此------没有它们之间的沟通的希望，即便你不能看或测量它们之间它们应该交换的假设信号------你能真正断言你已经闭合了局域的漏洞，真正的隐藏变量。量子力学的非常心脏正在危险上，而这就是今年第三位诺贝尔奖得主安东·泽林格进来发挥的地方。
time
光锥的一个例子，所有可能光线到达和离开一个空时中点的三维表面。你在空间中移动越多，你在时间中移动就越少，反之亦然。只有包含在你过去的光锥里的东西能影响你的今天；只有包含在你未来光锥中的东西能被你在未来感知。在狭义相对论法则下，两个在彼此的光锥之外的事件不能交换通信。(Credit: MissMJ/Wikimedia Commons)
泽林格和他的合作团队完成的这个的方式是辉煌的，我所说的辉煌指同时的富有想象力、聪明、细心和精确。
首先，他们通过用激光泵入一个下转换晶体创造了一对纠缠光子。
然后，他们将光子对中的每个成员通过一根单独的光纤发送，保持纠缠的量子态。
接下来，他们将这两个光子隔开一段很大的距离：最初大约是400米，这样它们之间的光旅行时间会比一微秒更长。
最后，他们进行了关键测量，每次测量之间的时间差在几十纳秒数量级上。
他们进行了这个实验1万多次，建立如此稳健的统计数据，他们创造了重要意义的新纪录，同时闭合了“不可见的信号”漏洞。今天，随后的实验已经将纠缠光子在被测量之前的距离隔开到数百公里，包括一个在地球表面和在地球轨道上发现的纠缠对的实验。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
世界上许多基于纠缠的量子网络，包括扩展到空间的网络正在被开发来利用量子隔空传输、量子中继器和网络的诡异现象以及量子纠缠的其他实际方面。(Credit: S.A. Hamilton et al., 70th International Astronautical Congress, 2019)
泽林格还也许更著名的是设计了这个关键的装置，使迄今为止发现的最奇怪的量子现象之一成为可能：量子隔空传输。有一个著名的量子无克隆定理，规定你不能不用破坏原始量子态本身产生一个任意量子态的副本。泽林格的团队连同弗朗西斯科·德·马提尼的独立小组能够来实验上证明是一个纠缠交换的方案：在那里一个粒子的量子态甚至在与另一个纠缠的同时可以被有效的“移动”到一个不同的粒子上，甚至一个从未直接的与它现在纠缠的粒子交互作用的。
量子克隆仍然是不可能的，因为原始粒子的量子属特没有被保留，但一个“剪切和粘贴”的量子版本已经被明确的证明：这是一个深刻的、值诺贝尔奖的进步。
量子纠缠赢得2022年物理学诺贝尔奖
约翰·克劳瑟，左，阿兰·阿斯佩特，中心和安东·泽林格，右是2022年的诺贝尔物理学奖得主，因为他们在量子纠缠领域的进展和实际应用。这个诺贝尔奖已经被预期超过20多年，针对基于研究的益处今年的选择是很难来争论的。(Credit: Getty Images/Shutterstock, modified by E. Siegel)
今年的诺贝尔奖不只是一种物理学的好奇，它对揭示关于我们量子现实本质的一些更深层次的真理是一种深刻的好奇。是的，它确实真的做到了那个，但对它也有实际的一面：一种体现诺贝尔奖的精神它被授予为改善人类而进行的研究。由于克劳瑟、阿斯佩特和泽林格等人的研究，我们现在理解纠缠允许纠缠粒子对被利用为一个量子资源：使它最终能够被用于实际应用。
量子纠缠能被在非常大的距离上建立，使量子信息被在很大的距离上通信成为可能。量子中继器和量子网络现在都能够精确地执行这项任务。此外，现在受控制的纠缠不只在两个粒子之间是可能的，而且在许多粒子之间，如在许多凝聚态物质和多粒子系统中：再次同意量子力学的预测和不同意隐藏的变量理论。最后，安全的量子密码学特别的被一个贝尔不等性违反测试成为可能的：再次由泽林格他自己证明。
为2022年的诺贝尔物理学奖得主约翰·克劳瑟、阿兰·阿斯科特和安东·泽林格干三杯！因为他们量子纠缠不再只是一种理论上的好奇，而是一种放到当今技术前沿使用的强大工具。
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/quantum-entanglement-nobel-prize-physics/

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