2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為何頒給這三人？他們證明了愛因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為何頒給這三人？他們證明了愛因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤

10月4日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布，獲獎(jiǎng)?wù)呤前⑻m·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·弗朗西斯·克勞澤（John Francis Clauser）、安東·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他們通過光子糾纏實(shí)驗(yàn)，確定貝爾不等式（Bell inequalities）在量子世界中不成立，并開創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。

三位獲獎(jiǎng)?wù)咂淙?/p>

阿蘭·阿斯佩 1947 年生于法國阿讓，1983 年獲法國巴黎第十一大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任巴黎薩克雷大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院教授。

約翰·克勞澤 1942 年生于美國加利福尼亞州帕薩迪納，1969 年獲美國哥倫比亞大學(xué)博士學(xué)位。美國 J．F Clauser ＆ Assoc 公司創(chuàng)始人、研究物理學(xué)家。

安東·塞林格 1945 年出生于奧地利因河地區(qū)里德。1971 年在奧地利維也納大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為維也納大學(xué)教授。

值得一提的是，塞林格還是中國科學(xué)院外籍院士，同時(shí)也是國內(nèi)量子信息科學(xué)領(lǐng)軍人物、中國科學(xué)院院士潘建偉的博士導(dǎo)師。

塞林格今天在接受采訪時(shí)表示：“（諾貝爾）這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)是對年輕人的一種鼓勵(lì)——如果沒有多年來與我一起工作的100多位年輕人，就沒有這個(gè)獎(jiǎng)。”

他們研究的是什么

量子力學(xué)并不僅僅是一個(gè)理論或哲學(xué)問題，更擁有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。已經(jīng)有大量研究正專注于利用單個(gè)粒子系統(tǒng)的特殊屬性來建造量子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)測量方法，以及構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。

在量子力學(xué)中允許出現(xiàn)這樣一種情況：無論相距多遠(yuǎn)，兩個(gè)或多個(gè)粒子能夠共享物理狀態(tài)，這被稱為量子糾纏。

用一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來做個(gè)比喻：有這樣一個(gè)機(jī)器，它可以向相反的方向拋出相反顏色的球。在這個(gè)機(jī)器拋球之前，我們無法確定這兩個(gè)球的顏色，但一旦有人看到了其中一個(gè)小球的顏色，那么另一個(gè)小球就會(huì)變成相反的顏色：當(dāng)小明在其中一端接到了一個(gè)黑色的球時(shí)，他立刻就可以知道，對面的小紅接到的是個(gè)白色的球。同時(shí)小紅也馬上知道了，小明接到的是黑球。這就是量子糾纏。

自從量子糾纏理論提出以來，它一直是量子力學(xué)中爭論最多的元素之一。愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，認(rèn)為它違背了狹義相對論，而薛定諤說這是量子力學(xué)最重要的特征。

愛因斯坦和助手提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，就是著名的EPR佯謬。作為愛因斯坦思想的繼承人，玻姆在1952年在引入了 “隱變量”，形成了一個(gè)完全決定性的理論——局域隱變量理論。1964年，北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾提出貝爾不等式，可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，究竟是量子力學(xué)理論正確且完備，還是局域隱變量理論正確且完備。

今年的獲獎(jiǎng)?wù)咛剿髁诉@些糾纏的量子態(tài)，并通過近40年的實(shí)驗(yàn)最終證明：量子力學(xué)是正確的，不存在隱變量，換句話說，他們證明了愛因斯坦也有小錯(cuò)誤。他們的實(shí)驗(yàn)為目前正在進(jìn)行的量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。

約翰·克勞澤使用了鈣原子。他用一種特殊的光照射鈣原子之后，可以發(fā)射糾纏光子。他在兩側(cè)用濾光片測量光子的偏振。經(jīng)過一系列測量，他證明它們違反了貝爾不等式。

阿蘭·阿斯佩開發(fā)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過一種新的激發(fā)原子的方法，使它們以更高的速率發(fā)射糾纏光子。他還可以在不同的設(shè)置之間切換，這樣系統(tǒng)就不會(huì)包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)先信息。

安東·塞林格后來對貝爾不等式進(jìn)行了更多測試。他通過將激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用隨機(jī)數(shù)切換測量設(shè)置。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用來自遙遠(yuǎn)星系的信號來控制濾光片并確保信號不會(huì)相互影響。

這些日趨完善的工具讓我們離實(shí)際應(yīng)用更近了。現(xiàn)在已經(jīng)證明，通過數(shù)十千米光纖發(fā)送的光子之間，以及衛(wèi)星和地面站的光子之間都能建立糾纏態(tài)。在很短的時(shí)間內(nèi)，世界各地的研究人員發(fā)現(xiàn)了許多利用量子力學(xué)最強(qiáng)大特性的新方法。

2010年，這三位物理學(xué)家已經(jīng)聯(lián)手獲得“諾獎(jiǎng)風(fēng)向標(biāo)”沃爾夫獎(jiǎng)（The Wolf Prize）。美國物理聯(lián)合會(huì)旗下科普網(wǎng)站Inside Science于2019、2020、2021曾連續(xù)三年預(yù)測，這三位物理學(xué)家獎(jiǎng)將獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

話匣子綜合自果殼、環(huán)球科學(xué)、返樸等

編輯：玫瑰砂

責(zé)任編輯：陳敏