|
2022年诺贝尔物理学奖揭晓  2022年的诺贝尔物理学奖已经正式揭晓了。得奖的是三位实验物理学家：法国的阿斯派克特、美国的克劳瑟和奥地利的塞林格。获奖的理由是“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。
我很高兴啊，因为这一次我猜对了，我在今年的诺奖揭晓之前曾经做了一次音频节目，讲的就是诺奖风向标。这三位科学家在2010年就曾经获得过沃尔夫奖，这也是诺奖风向标之一，所以我猜他们有可能会获奖。 量子纠缠与贝尔不等式 有关量子纠缠这档子事，最早可以推回到1935年。爱因斯坦和波多尔斯基以及罗森三个人合写了一篇论文，提出了EPR佯谬。E代表爱因斯坦，P代表波多尔斯基，R代表罗森。
当时物理学界分了两大派，一派是玻尔为首的哥本哈根学派，另一派就是爱因斯坦和薛定谔为首的反对派。爱因斯坦和玻尔吵架，始终也没吵赢过。他主要是对量子的叠加态这个概念很不爽。就是为了给叠加态这个概念找别扭，才专门提出了这个EPR佯谬。 薛定谔也对叠加态很不爽，所以，他才设计了那个著名的“虐猫事件”。一只猫可不可能既是死的又是活的，处于死与活的叠加态？毛病就出在这个叠加态上。叠加态塌缩更离谱了，难道你一观察，猫的叠加态就瞬间塌缩，变成了决定性的，要么死，要么活？你这个观察者这眼光也太厉害了吧。
所以，后来薛定谔在看到爱因斯坦的EPR论文以后，一个词脱口而出——量子纠缠。这个概念就是这么来的。 有关这个理论，我们不妨做个简化版的描述。你可以设想这样一个过程：一台机器会发射不同颜色的小球。如果爱丽丝接到一个白色的球，对面的鲍勃一定会接到一个黑色的球，反正是这两个球的颜色总是相反的。
玻姆提出了一个隐变量理论。如果按照隐变量的理论，这两个球在发射出来之前就已经决定了。这个观念很符合大家的一般认知。 但是，如果按照叠加态的说法，这两个球在发射出来以后，一直是处在叠加态。直到爱丽丝观察到这个小球A的那一刻，小球才突然从叠加态随机塌缩成白色。同时，就像是心灵感应一般，对面的那个小球B也必须保持和A状态相反。所以B也突然从叠加态塌缩成了黑色，不管距离多远，哪怕在宇宙尽头，也得立马跟着变过来。 爱因斯坦认为，这种鬼魅般的超距作用是不可能的。但是，我们仅从观察上无法区分到底发生了什么。到底存不存在鬼魅般的超距作用，到底存不存在隐变量，这就成了一个悬案。时间长了，这也就变成了扯不出答案的哲学问题了。 其实物理学家惠勒很早就提出了正负电子相互泯灭，会放出一对光子，这一对光子应该是相互纠缠的。1948年，哥伦比亚大学吴建雄和萨科诺夫成功地做出了这个实验，这是人类第一次搞出相互纠缠的粒子。但是那时候搞出来的纠缠粒子都不太稳定，没有多少实用性。
图：吴健雄 后来嘛，大家注意力都不在这里，大家都在鼓捣对撞机呢。一直到了1964年，物理学家贝尔才给出了一个验证方法，这就是所谓的“贝尔不等式”。这就使得扯不清的哲学问题再一次变成了实验物理的问题。
克劳瑟
贝尔提出他的不等式以后，并没有太多的人关心。但是，有一个人对这事儿特别留意，他就是这一次的诺奖得主克劳瑟。 前面铺垫太长了，到现在主角才出来。 克劳瑟当时在加州理工，他就跟著名物理学家费曼提出了自己的想法，要做实验来验证贝尔不等式，结果费曼蹦起来就把他从办公室给扔出去了。这是他自己后来回忆的，不是我瞎说。 后来克劳瑟去了哥伦比亚大学，因为哥伦比亚大学搞理论的有李政道，搞实验的有吴健雄。这个环境好啊，你随便挑啊。 克劳瑟去了以后就跟吴健雄实验室的人打听，当年他们如何做出纠缠粒子的。这都过去20年了谁还想得起来呢？但是，克劳瑟也知道了，当年他们做出的纠缠的粒子很不稳定，没法用来做其他实验。 反正，当时克劳瑟痴迷于研究如何验证贝尔不等式，自己的主要工作做得并不好。结合昨天我们讲到的帕博（2022年诺贝尔生理学或医学奖得主），似乎这些未来的诺奖得主都得从不务正业开始。 克劳瑟后来成了激光大神汤斯的手下，汤斯是第一个在微波频段实现受激辐射的人，其实就是频率在微波波段的激光。汤斯这个老板还是很开明的，他允许克劳瑟花一半的时间研究贝尔定理，这就是合法的不务正业嘛。
图：汤斯 没有汤斯的支持，克劳瑟很难取得后面的成果。克劳瑟与其他人一起改进了贝尔不等式，变得比较容易实验。而且他们还改进了试验方法。他们找到了一种新的方法来产生纠缠的光子。就是用紫外线来照射钙原子，有一定概率会产生一对纠缠的光子，一个是551纳米的绿光，另一个是423纳米的蓝光，颜色不一样。
但是这个实验依然很难搞，克劳瑟和小伙伴们累计试验了200多个小时。制备纠缠光子对非常困难，大概一百万光子里只有一对纠缠光子，比率太低了。在1972年，他们终于公布了结果，最后的结果不支持隐变量理论，实验结果违反了贝尔不等式。 当然，这个实验并不是没有漏洞的，所以还是不能一锤定音。真正要取得下一个进展，还要等到10年以后。 阿斯派克特 
提出贝尔不等式的那个贝尔本人一直在欧洲核子研究组织工作。这一天，有个学生开着车兴冲冲地从巴黎赶来找贝尔。这家伙是贝尔的粉丝，也在惦记着做贝尔实验。可贝尔不认识他，来的这个人自我介绍：我叫阿斯派克特。 大家别急哦，第二位主角登场啦。 这个阿斯派克特是法国人，他去喀麦隆当了3年的志愿者，上非洲搞扶贫去了。在扶贫期间，他看了好多有关量子力学的书籍，对量子纠缠和EPR特别感兴趣。做完了志愿工作，他立马拎包回了巴黎，一高兴就考上了巴黎大学的物理学博士生。 你看人家的水平啊，要考上就考上了。 这个阿斯派克特也跟量子纠缠死磕上了。他也知道克劳瑟他们做的贝尔实验，他要做的第一步就是重复克劳瑟的实验。他改用激光激励钙原子，激光的效率非常高，做出来的效果比当年的克劳瑟高了好几倍，实验结果是大幅度偏离了贝尔不等式。
图：当时的实验室 第二步就需要利用双通道的方法来提高光子的利用率，减少前人实验中的所谓“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。这个效果比上次还要好得多。 第三步，他搞定了延迟决定实验，这个主意还是贝尔出的。所谓的延迟决定实验，就是要彻底断绝两个光子之间暗通消息的可能性。为什么纠缠光子在通过检验的时候，偏振方向总是相互垂直的呢？到底是因为鬼魅般的纠缠作用，还是光在用什么我们不知道的办法暗通消息？ 那好啊，我们等着光子飞出来，快要到检验器门口了，突然改变检验器的偏振角度。消息最快不超过光速。偏振角度切换极快，这时候两个光子相距13米，无论如何来不及互相通消息了。这样做出来的实验漏洞更少。
阿斯派克特团队最后获得的结果，依然是大幅度偏离了贝尔不等式，基本可以认为爱因斯坦是彻底错了。 但是，你非要鸡蛋里挑骨头，漏洞总是有的。你用来控制检验器偏振方向的那个随机数发生器，是不是真随机呢？这就轮到第三位主角登场了。 安东·塞林格
安东·塞林格利用遥远星系发出的信号作为控制信号。这可是真随机，而且这个随机数发生器太远了，实在是没机会参与作弊。结果依然是违反了贝尔不等式，漏洞也比以前更少了。 安东·塞林格专注的领域是在量子纠缠，这是贝尔实验的基础。他对多光子纠缠及量子传输做出了开创性的贡献。这种技术不但对检验量子力学的基本原理有很大的用处，而且还对量子信息发展提供了很大的助力，无论是量子通信还是量子计算都是离不开量子纠缠的。要是没有量子纠缠技术，量子计算机相对于经典计算机就体现不出优势了。 塞林格最重要的贡献是在1997年实现了量子隐形传态。潘建伟院士当时是他的研究生，对这篇论文也有非常重要的贡献。 量子隐形传态到底是什么意思呢？打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过隐形传态，我们让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色。 其实，我们完全不需要知道A最初是什么颜色。无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。 当然，说起来简单，做起来复杂。要让远方的B跟着起变化，就必须借助和B纠缠的粒子C。这个C留在家里，和A距离很近，但是B必须传送到足够远的地方才有实用意义。和5米开外的人通信，喊一嗓子就够了，用不着量子通信。 所以，先要弄出一对纠缠光子。把一个光子发送到远方，这是其中非常重要的一步。一开始塞林格他们传输的距离很短，后来他们把纠缠的光子发过了多瑙河，实现了跨越多瑙河的隐形传态。 再下一步是实现了非洲加纳利群岛各个岛屿之间的量子隐形传态，距离就拉伸到了上百千米。最夸张的就是利用墨子号卫星实现高达上千公里的量子纠缠。当然啦，这是我们中国人的贡献。在诺奖揭晓仪式的讲解之中，还特别提到了这个成就。
结语 1997年实现的是单个光子的单个自由度的量子隐形传态，现在要实现的是单个光子的多个自由度的量子隐形传态。完整意义的量子隐形传态，应该说是2015年才由潘建伟院士团队实现的，现在我们才是这方面的领军者。 不管怎么说，克劳瑟、阿斯派克特和塞林格能够获得2022年的诺贝尔奖，就是国际科学界对他们巨大成就的认可。开创者和奠基者完成的是从0到1的突破。
同时，我们又一次发现，其实我们中国人也深度参与其中。从0.5到1的这部分，我们有参与。从1到100这段路还没走完，现在看，我们也是领先的。 所以，我想再次重申我的观点，尽管我们还没达到前三名的水平，还不能站上领奖台。但是，我们也有优秀的科技人才在向这个水平靠近，他们就潜伏在台下，可能是第四名、第五名也说不定哦。未来一定有希望站上领奖台，对此，我们有信心，有耐心。 2022年诺奖得主帕博：从提取木乃伊DNA起，逐步破解人类基因密码 2022诺奖风向标 关注我
|
|
|
