2022诺贝尔物理奖出炉，量子力学登顶！

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在量子世界中，两个 "纠缠 "的粒子，无论被分隔到多么遥远，都可以保持联系，并瞬时共享它们的物理状态。爱因斯坦曾将这种神秘的现象称之为 "鬼魅般的超距作用"。

今年的诺贝尔物理学奖的三位获奖人Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger各自利用纠缠量子态进行了开创性的实验。他们的研究结果为目前为基于量子信息的新技术奠定了基础。

贝尔不等式

现如今，与量子力学的应用有关的研究领域已经变得非常庞大，这包括量子计算机、量子网络，以及安全的量子加密通信。这一进展的一个关键便是，量子力学允许两个或多个粒子处于纠缠态中。

在很长一段时间里，物理学家都在思考，这种相关性是否与纠缠对中的粒子包含隐变量有关。所谓隐变量，指的是能告诉它们在实验中应该给出什么结果的指令。

20 世纪 60 年代，约翰 · 贝尔（John Stewart Bell）提出了以他的名字命名的数学不等式。这个不等式表明，如果存在隐变量，那么大量测量结果之间的相关性，将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，从而产生比其他情况更强的相关性。

量子力学的纠缠对可以比作一台机器，它向着相反方向抛出反色的球。当鲍勃抓到一颗球，并看到它是黑色的时，他就立刻知道爱丽丝抓到了一颗白色的球。在一种使用隐变量的理论中，这些球总会包含着关于颜色的隐藏信息。但是，量子力学认为，这些球都是灰色的，直到有人看到它们时，其中一颗会随机变成白色，另外一颗则变成黑色。贝尔不等式表明，有一些实验能够区分这些情况。这类实验已经证明了，量子力学的描述才是正确的。

开创性的实验

Clauser 延续了贝尔的想法，并进行了一项实际的实验。当他进行测量时，结果显然违反了贝尔不等式，从而支持了量子力学。这意味一个使用隐变量的理论无法取代量子力学。

John Clauser 使用钙原子，在他借助一种特殊的光照亮粒子后，钙原子可以发射纠缠光子。他在两边分别安置了一个过滤器，来测量光子的偏振。经过一系列测量，他能够证明它们违反了贝尔不等式。

在 Clauser 完成他的实验之后，仍然有一些漏洞存在。Aspect 对装置进行了改进，从而弥补了其中的一个重要漏洞。利用他的装置，他能够在一个纠缠对离开它的源后切换测量设置，所以当它们被发射时存在的设置不会对结果产生影响。

Alain Aspect 开发了这项实验，他用一种新的方法激发原子，让它们以更高的速率发射纠缠光子。他还能够在不同设置之间切换，因此这个系统不会包含任何可能影响结果的预先信息。

通过精密的工具和一系列的实验，Zeilinger 开始使用纠缠量子态。此外，他的研究小组还展示了一种被称为量子隐形传态的现象，使得在一定距离上将量子态从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

Anton Zeilinger 后来对贝尔不等式进行了更多测试。他将激光对准一种特殊的晶体，创造了光子纠缠对，并使用随机数在测量设置之间切换。一项实验利用了来自遥远星系的信号来控制过滤器，并确保信号不会相互影响。

这些研究和实验为当前量子信息科学的密集研究奠定了基础。能够操纵和管理量子态及其属性，使我们能够发展出具有意想不到的潜力的工具。这是量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法的基础。这些日益完善的工具使我们更加接近那些现实的应用。

第一次量子革命给我们带来了晶体管和激光，现在，在这些用来操纵纠缠粒子系统的现代工具的帮助下，我们正在进入一个新的量子信息时代。