诺奖解读：纠缠，是一种强大的工具

北京时间10月4日2022年诺贝尔物理学奖揭晓

2022年诺贝尔物理学奖解读

诺奖解读：纠缠，

是一种强大的工具

中国碳氢产业网  北京时间10月4日，2022年诺贝尔物理学奖揭晓，Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger.获奖。以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。奖金为1000万瑞典克朗。

获得诺贝尔物理学奖的三位科学家——法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格，他们通过开创性的实验展示了处于纠缠状态的粒子的潜力，这三位获奖者对实验工具的开发，也为量子技术的新时代奠定了基础。

阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·塞林格（右）诺贝尔奖官网

你明白“纠缠”吗

在所谓的“纠缠对”中，一个粒子发生的事情，会决定另一个粒子发生的事情（不管相距多远）。这意味着什么？

纠缠示意图

量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。其与全世界正密集研发的、以利用单个粒子系统的特殊属性来构建的量子计算机、改进测量、量子网络以及量子加密通信，都能息息相关。

以上应用，均需依赖于量子力学如何允许两个或多个粒子以共享状态存在，甚至无论它们相隔千山万水，均能保持这一状态。

这被称为纠缠。

自从该理论提出以来，它一直是量子力学中争论最多的元素之一。

两对纠缠粒子从不同的来源发射。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式相互纠缠而聚集在一起。然后，其他两个粒子（图中的1和4）也被纠缠在一起。通过这种方式，两个从未接触过的粒子可以纠缠在一起。

阿尔伯特·爱因斯坦说这是“幽灵般的超距作用”，而埃尔温·薛定谔说这是量子力学最重要的特征。

今年的获奖者们，探索了这些纠缠的量子态，他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍，为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

不断解决漏洞

长期以来存在的一个问题是，相关性究竟是不是因为纠缠对中的粒子包含隐藏变量。1960年代，约翰·斯图尔特·贝尔提出了以他的名字命名的数学不等式。这说明如果存在隐藏变量，则大量测量结果之间的相关性，永远不会超过某个值。然而，量子力学预测某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式产生了更强的相关性。

量子力学的纠缠对可与反方向抛出相反颜色球的机器相提并论。当鲍勃接住一个球，看到它是黑色的时，他立即知道爱丽丝抓住了一个白色的。在使用隐藏变量的理论中，球总是包含有关显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学却说，这些球是灰色的，直到有人看着它们时，一个随机变成白色而另一个变成黑色。贝尔不等式关系表明，有实验可以区分这些情况。这样的实验证明了量子力学的描述是正确的。

约翰·克劳泽发展了贝尔的想法，并通过一个实际的实验进行测量，测量结果通过明显违反贝尔不等式来支持量子力学。这意味着，量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代。

约翰·克劳泽研究示意图

在约翰·克劳泽的实验之后，一些漏洞仍然存在。阿兰·阿斯佩开发了一种新设置，并以一种弥补重要漏洞的方式使用它。他能够在纠缠对离开其源后切换测量设置，因此在它们发射时既有设置就不会影响结果。

阿兰·阿斯佩研究示意图

使用改良工具和一系列长期实验，安东·塞林格的团队利用纠缠量子态证明了一种称为量子隐形传态的现象，它可以将量子态从一个粒子移动到远距离的另一个粒子。

安东·塞林格研究示意图

“纠缠态”正从理论走向技术

量子力学现已开始得到应用，并产生了很广阔的研究领域，其包括量子计算机、量子网络和更为安全的量子加密通信。

从实践的角度来说，量子纠缠所代表的，其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满，正源于每一阶段可应用范围的不够。

诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克这样总结道：“越来越清楚的是，一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”

近5年诺贝尔物理学奖得主

2021年

诺贝尔物理学奖授予“对我们理解复杂系统的开创性贡献”。一半由美国科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)获得，表彰他们“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”；另一半由意大利科学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi)获奖，以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用”。

2020年

诺贝尔物理学奖将一半颁给了英国科学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)以表彰其给出的黑洞形成的证明，并成为广义相对论的有力证据。另一半由德国科学家赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)、美国科学家安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)共享，表彰他们“在银河系中心发现超高质量高密度物质”。

2019年

美国普林斯顿大学教授吉姆·皮布尔斯（James Peebles）、瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和日内瓦大学教授迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）获奖，理由是“在天体物理学方面的发现”。

2018年

美国科学家亚瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰哈·莫罗（Gerard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）获奖，理由是“在激光物理领域的突破性发明”。

2017年

三名美国科学家雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什获奖，理由是“在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献”。

诺贝尔物理学奖小知识

作为根据诺贝尔遗嘱设立的五大奖项之一，物理学奖被授予“在物理学领域作出最重要发现或发明的人”，与其他诺贝尔奖相比，物理学奖的荐举和甄选过程更长、更缜密。诺贝尔物理学奖规则规定，获奖者的贡献必须“已经受时间的考验”。这意味着诺贝尔委员会往往会在科学发现的数十年以后才会为此颁发奖项。自1901年至2021年，诺贝尔物理学奖项已颁发115次，一共218位得主，记录了物理学发展史上的无数个里程碑，已成为人类文明不可分割的一部分。

独享还是共享？

根据规定，一项诺贝尔奖最多可以颁给两项不同的成就，奖金将均分。而如果一项成就是由2到3个人共同完成，那么奖金将联合授予他们。一份奖金最多由3人分享。在218位获奖者中，有47位独享奖项。

人选空缺怎么办？

自1901年至2021年，诺贝尔物理学奖项已颁发115次。其中，1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年这6年未颁奖。正如组委会所说：“如果候选人的贡献没有达到要求，那么奖金就会被保留至第二年。如果第二年仍没有合适的人选，那么，奖金将回流至基金会的初始基金里。”此外，在两次世界大战期间，诺贝尔奖也鲜少颁发。

最年轻和最年长的获奖者

俗话说，出名要趁早。迄今为止，诺贝尔物理学奖最年轻的获奖者是澳洲物理学家劳伦斯·布拉格。1915年，年仅25岁的他凭借用X射线研究晶体内原子和分子结构的贡献，与父亲亨利·布拉格共同获得诺贝尔物理学奖。

迄今，诺贝尔物理学奖最年长的获奖者是美国物理学家亚瑟·阿什金，他在2018年获得诺贝尔奖时已经96岁。获奖理由是“在激光物理领域的突破性发明”。

史上获两次诺贝尔物理学奖的人

在诺贝尔奖历史上，获得两次诺贝尔物理学奖的是美国物理学家约翰·巴丁。1956年约翰·巴丁因对半导体的研究和对晶体管效应的研究荣获诺贝尔物理学奖。1972年他因超低温理论再次荣获诺贝尔物理学奖。

天文学五年内3次问鼎

有学者表示，相较其他自然科学奖项，诺贝尔物理学奖的规律性较为明显：宇宙天体物理学、粒子物理学、原子分子及光物理学和凝聚态物理学这四大领域轮番登场。不过近几年，天体物理登台频率较高——在2017到2021年五年内，天文学已经3次获奖，包括2017年引力波的发现、2019年的宇宙学理论和系外行星发现以及2020年的黑洞研究。2019年诺贝尔物理学奖得主、瑞士天文学家迪迪埃·奎洛兹在世界顶尖科学家论坛上曾表示，黑洞永远都是科学最好的舞台，未来天文还可能出现诺奖级成果。

获得诺贝尔物理学奖的华人科学家

在诺贝尔奖历史上，诺贝尔物理学奖是华人获奖最多的领域，共有6位华人科学家获奖。

1956年，31岁的美籍华人李政道和35岁的杨振宁提出“李-杨假说”，并于1957年同时获得诺贝尔物理学奖。

1976年，美籍华人科学家丁肇中因发现J粒子获得诺贝尔物理学奖。

1997年，美籍华人朱棣文因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖。

1998年，美籍华人崔琦因解释了电子量子流体这一特殊现象，获得诺贝尔物理奖。

2009年，英国华人科学家高锟因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”作出突破性成就，获得诺贝尔物理学奖。

（来源：中国国际碳氢农业科学研究院根据中外报道整理）