2022年诺贝尔物理学奖揭晓(什么是量子纠缠)

2022年诺贝尔物理学奖揭晓(什么是量子纠缠)插图

2022年诺贝尔物理学奖获得者:法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser) 和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)

北京时间10月4日下午,在瑞典首都斯德哥尔摩,瑞典皇家科学院宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser) 和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger),以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。

他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立,并开创了量子信息这一学科。

诺贝尔奖官网发布的新闻公报称,量子力学正开始得到应用。量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信已经成为很大的研究领域。而这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的一个粒子的状态,决定了另一个粒子的状态,即使这两个粒子相距很远。

Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 各自使用“两个粒子即使在分离时也表现得像一个单元”的纠缠量子态,进行了开创性实验。他们的实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。

获奖者将获得一份证书、金质奖章和奖金。2022年诺贝尔奖各个奖项的奖金是1000万瑞典克朗,按当前汇率,约合650万元人民币。上述奖金由三位获奖者平分。

此前,诺贝尔物理学奖已颁发过115次。

在第一次世界大战(1914-1918)和第二次世界大战(1939-1945)期间,在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等六年里,没有颁发诺贝尔物理学奖。

从1901年到2021年,约翰·巴丁是唯一一位曾两次获得诺贝尔物理学奖的获奖者。这意味着,在2022年之前,共有218人曾获得诺贝尔物理学奖。

解读诺奖:量子纠缠到底是什么?

量子信息科学的研究包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

目前,量子信息科学已经从理论层面,如今开始得到应用,例如专注于通过单个粒子系统的特殊属性来建造量子计算机、改进测量方法,以及构建量子网络和安全的量子加密通信等。

而这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的一个粒子的状态,决定了另一个粒子的状态,即使这两个粒子相距很远——这就是“量子纠缠”。

在几十年前,量子力学却曾受到包括物理学泰斗级人物爱因斯坦(Albert Einstein)、薛定谔等多位物理学家的公开质疑,其中就包括了“量子纠缠”。爱因斯坦称,量子纠缠为“幽灵般的超距作用”。他还有一句名言——“上帝不会掷骰子”,也是在否定量子力学中的“测不准原理”,即由于测量的干涉效应,粒子的位置与动量不可同时被测定。

2022年诺贝尔物理学奖揭晓(什么是量子纠缠)插图1

量子纠缠示意图(来源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院)

早在1935年,爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》,后人称之为EPR文章,EPR即是三人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论,爱因斯坦认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

随后,薛定谔也发表了几篇相关论文,定义了“量子纠缠”这一术语。但这种行为被爱因斯坦抨击为违背定域实在论。他表示,量子力学的标准表述不具完备性。

1964年,英国物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)提出了以他名字命名的数学不等式。他提出,如果存在隐藏变量,大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而,量子力学预言,某种类型的实验将违反贝尔不等式,从而导致比其他方式更强的相关性。

获奖者之一的约翰克·劳瑟,发展了约翰·贝尔的想法,并进行了一个实际的量子纠缠实验:劳瑟使用了钙原子,在他用特殊的光照射后,钙原子可以发射纠缠光子。他在两侧设置了一个滤光片来测量光子的偏振。经过一系列测量,他能够证明它们违反了贝尔不等式。这意味着,量子力学不能被一个使用隐藏变量的理论所取代。

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用贝尔不等式进行实验

但劳瑟实验仍然存在一些漏洞(loophole)。随后,阿斯佩教授进一步完善了这一实验,他在纠缠粒子离开发射源后,切换了测量设置,因此粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。

通过精密的工具和一系列实验,塞林格教授开始使用纠缠态量子。他的研究团队(潘建伟教授是成员之一)还展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象,这使得量子在一定距离内从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

近十年诺贝尔奖物理学奖得主的情况如下:

2021年,诺贝尔物理学奖被授予三名科学家。其中,日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯•哈塞尔曼因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”的相关研究获奖,意大利科学家乔治•帕里西因“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”获奖。

2020年,诺贝尔物理学奖颁发给了三位获奖者,因为“他们发现了宇宙中最奇异的现象之一——黑洞”。英国科学家罗杰•彭罗斯因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果而获奖;德国科学家赖因哈德•根策尔和美国科学家安德烈娅•盖兹因在银河系中央发现超大质量天体而获奖。

2019年,诺贝尔物理学奖被颁发给两个领域的科学家,其中,加拿大裔美国科学家詹姆斯•皮布尔斯的获奖理由是他在物理宇宙学领域的理论性发现;而瑞士科学家米歇尔•马约尔与瑞士科学家迪迪埃•奎洛兹则因“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”获奖。

2018年,诺贝尔物理学奖被授予美国科学家阿瑟•阿什金、法国科学家热拉尔•穆鲁及加拿大科学家唐娜•斯特里克兰,以表彰其在激光物理学领域取得的突破性贡献。

2017年,雷纳•韦斯、巴里•巴瑞斯和吉普•索恩因引力波探测研究获奖。

2016年,英国科学家大卫•索利斯、邓肯•霍尔丹和迈克尔•科斯特利茨,因在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相而荣获该奖项。

2015年,日本科学家梶田隆章和加拿大科学家亚瑟•麦克唐纳共同获诺贝尔物理学奖。两人因发现中微子振荡,证明中微子有质量而获奖。

资料图:诺贝尔奖奖章。

2014年,诺贝尔物理学奖得主是日本科学家赤崎勇、日裔美国科学家中村修二及日本科学家天野浩。他们开发了蓝色发光二极管(LED),使节电的高亮度照明器材成为可能,极大改变了人们的生活。

2013年,诺贝尔物理学奖被授予比利时理论物理学者弗朗索瓦•恩格勒和英国理论物理学家彼得•希格斯,两人因预测被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在而获奖。

2012年,诺贝尔物理学奖由法国科学家塞尔日•阿罗什与美国科学家大卫•维因兰德获得,两位物理学家因为在量子光学领域对光与物质间的密切关系和相互作用的研究而获得表彰。

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