今天獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家——法國科學家阿蘭阿斯佩、美國科學家約翰克勞澤、奧地利科學家安東塞林格，他們透過開創性的實驗展示了處於糾纏狀態的粒子的潛，這三位獲獎者對實驗工具的開發，也為量子技術的新時代奠定了基礎。

你明白“糾纏”嗎

在所謂的“糾纏對”中，一個粒子發生的事情，會決定另一個粒子發生的事情（不管相距多遠）。這意味著什麼？

量子學的基礎僅僅是一個論或哲學問題。其與全世界正密集研發的、以利用單個粒子系統的特殊屬性來構建的子計算機、改進測、子網路以及子加密通訊，都能息息相關。

以上應用，均需依賴於子學如何允許兩個或多個粒子以共享狀態存在，甚至無論它們相隔千山萬水，均能保持這一狀態。

這被稱為糾纏。

糾纏示意圖。

自從該論提出以來，它一直是子學中爭論最多的元素之一。

阿爾伯特·愛因斯坦說這是“幽靈般的超距作用”，而埃爾溫·薛定諤說這是子學最重要的特徵。

今年的獲獎者們，探索了這些糾纏的子態，他們的實驗為基於量子資訊的新技術掃清了障礙，為目前正在進的子技術革命奠定了基礎。

兩對糾纏粒子從不同的來源發射。每對粒子中的一個粒子以一種特殊的方式相互糾纏而聚集在一起。然後，其他兩個粒子（圖中的1和4）也被糾纏在一起。透過這種方式，兩個從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。

不斷解決漏洞

長期以來存在的一個問題是，相關性究竟是不是因為糾纏對中的粒子包含隱藏變數。1960年代，約翰斯圖爾特貝爾提出了以他的名字命名的數學不等式。這說明如果存在隱藏變數，則大量測量結果之間的相關性，永遠不會超過某個值。然而，量子力學預測某種型別的實驗將違反貝爾不等式，從而導致比其他方式可能產生的更強的相關性。

量子力學的糾纏對可與反方向丟擲相反顏色球的機器相提並論。當鮑勃接住一個球，看到它是黑色的時，他立即知道愛麗絲抓住了一個白色的。在使用隱藏變數的理論中，球總是包含有關顯示什麼顏色的隱藏資訊。然而，量子力學說，這些球是灰色的，直到有人看著它們，當一個隨機變成白色而另一個變成黑色時。貝爾不等式關係表明，有實驗可以區分這些情況。這樣的實驗證明了量子力學的描述是正確的。

約翰克勞澤發展了貝爾的想法，並透過一個實際的實驗進行測量，測量結果透過明顯違反貝爾不等式來支援量子力學。這意味著，量子力學不能被使用隱藏變數的理論所取代。

約翰克勞澤研究示意圖。

在約翰克勞澤的實驗之後，一些漏洞仍然存在。阿蘭阿斯佩開發了一種新設定，並以一種彌補重要漏洞的方式使用它。他能夠在糾纏對離開其源後切換測量設定，因此在它們發射時既有設定就不會影響結果。

阿蘭阿斯佩研究示意圖。

使用改良工具和一系列長期實驗，安東塞林格的團隊利用糾纏量子態證明了一種稱為量子隱形傳態的現象，它可以將量子態從一個粒子移動到遠距離的另一個粒子。

安東塞林格研究示意圖。

“糾纏態”正從理論走向技術

量子力學現已開始得到應用，併產生了很廣闊的研究領域，其包括量子計算機、量子網路和更為安全的量子加密通訊。

從實踐的角度來說，量子糾纏所代表的，其實是一個巨大資源。科學家們對量子糾纏漏洞的不滿，正源於每一階段可應用範圍的不夠。

諾貝爾物理學委員會主席安德斯伊爾貝克這樣總結道：“越來越清楚的是，一種新型的量子技術正在出現。我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作非常重要，甚至超出了關於量子力學解釋的基本問題。”

（圖片來源：約翰·賈內斯塔德/瑞典皇家科學院）

審讀：喻方華