|
Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 憑借對糾纏粒子的開創性實驗獲得了 2022 年諾貝爾物理學獎。
左起：約翰·克勞瑟（John Clauser）、安東·策林格（Anton Zeilinger）和阿蘭·阿斯佩克特（Alain Aspect）
作者：Charlie Wood 2022-10-4 譯者：zzllrr小樂 2022-10-5 物理學家 Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 因證明極其奇怪的量子現實本質的實驗而獲得了 2022 年諾貝爾物理學獎。他們的實驗共同確定了一種稱為糾纏（entanglement）的奇異量子現象的存在性，其中兩個相隔很遠的粒子似乎共享信息，盡管沒有可以想象的通信方式。 糾纏是 1930 年代物理學巨頭阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾和歐文·薛定諤之間關于宇宙如何在基本層面上運行的激烈沖突的核心。愛因斯坦相信現實的所有方面都應該有一個具體的、完全可知的存在。所有物體——從月亮到光子——都應該具有可以通過測量發現的精確定義的屬性。然而，玻爾、薛定諤和其他新興量子力學的支持者發現現實似乎從根本上是不確定的。直到測量的那一剎那，粒子才具有某些屬性。 糾纏成為區分這兩種可能的現實版本的決定性方式。物理學家約翰·貝爾提出了一個決定性的思想實驗，后來被阿斯派克特和克勞瑟以各種實驗形式實現。這項工作證明薛定諤是對的。量子力學是宇宙的操作系統。 諾貝爾委員會成員托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）在 1935 年引用薛定諤的話說：“我不會把糾纏稱為'一種’，而說糾纏'就是’量子力學的特性。Clauser 和 Aspect 進行的實驗讓物理學界對薛定諤的陳述大開眼界獲得深入了解，并提供了用于創建、操縱和測量盡管相距甚遠但糾纏在一起的粒子狀態的工具。” 除了打破范式的哲學含義外，糾纏現在還準備為新興的量子技術浪潮提供動力。Zeilinger 一直處于該領域的最前沿，開發利用糾纏技術實現量子網絡、隱形傳態和密碼學的驚人壯舉。 “量子信息科學是一個充滿活力且發展迅速的領域。它在安全信息傳輸、量子計算和傳感技術等領域具有廣泛的潛在影響，”委員會的另一位成員 Eva Olsson 說。“它的預測打開了通往另一個世界的大門，它也動搖了我們解釋測量結果的基礎。” 什么是量子糾纏（quantum entanglement）？ 當兩個粒子一起形成一個量子系統時，無論它們之間的距離如何，它們都會糾纏在一起。 要理解這種量子連接，請考慮兩個電子。電子具有稱為自旋的量子特性，當被測量時，它可以取兩個值之一，稱為“向上”或“向下”。測量每個電子的自旋就像扔硬幣一樣：它會隨機向上或向下。 現在想象一下，兩個物理學家，阿蘭和約翰，每個人都收到了一系列的硬幣。當每對硬幣到達時，物理學家同時翻轉它們。阿蘭可能會得到正面、反面、反面、正面、反面的序列。約翰可能會得到正面、正面、反面、反面、反面。阿蘭和約翰擲硬幣的結果彼此無關。 但如果他們用一系列糾纏電子而不是硬幣重復這個實驗，他們會得到一個奇怪的結果：每次阿蘭測量一個自旋的電子時，約翰都會發現這對電子中相對應的另一個出現自旋——下，反之亦然。這兩種測量行為是相互關聯的，就好像拋一枚硬幣可以發出一個信號，在測量的精確時刻立即確保其遠方伙伴的正確結果。 愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森在一篇現已錯得著名的 1935 年論文中首次描述了量子糾纏。這種被愛因斯坦輕蔑地稱為“幽靈般的超距作用”的現象是新生的量子力學理論不可避免的結果。愛因斯坦懷疑糾纏會為量子力學敲響喪鐘，因為它似乎違背了相對論的中心原則——沒有任何信息的傳播速度可以超過光速。任何一個電子的測量都不能立即影響某個遙遠地方的測量。 然而，他們的論文將為徹底重新思考現實和全新的研究領域奠定基礎。 如何測量糾纏？ 到 1930 年代，很明顯，玻爾、薛定諤和其他量子先驅者正在做一件事。該理論比任何其他理論更準確地描述了原子和亞原子粒子的實驗。爭論的焦點是人們可以信任它到什么程度。 例如，愛因斯坦希望這個奇異的理論只是通往更完整的圖景的墊腳石，這圖景將在哲學上與經典物理學保持一致。他懷疑兩個糾纏的電子發生了相反的自旋，因為一些“隱藏變量”導致它們的自旋首先指向相反的方向。換句話說，在量子力學中看似隨機的測量結果實際上是一些尚未得到認可的確定性描述的結果，這些描述在粒子之間創造了一種虛幻的聯系。 1964 年，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了一項可以解決爭論的實驗。細節相當復雜，但總體思路是讓兩位物理學家測量糾纏粒子沿不同軸的自旋：不僅向上和向下，而且有時隨機左右或其他方向。如果愛因斯坦是對的，并且粒子一直秘密地具有預定的自旋，那么切換測量軸的行為應該對結果沒有影響。貝爾計算出，如果宇宙真的是量子力學的，并且糾纏看起來就像幽靈一樣，那么軸切換將導致相關自旋測量的頻率高于相對論等經典理論中可能發生的情況。 “約翰·貝爾將哲學辯論轉化為科學，并提供了可測試的預測，從而啟動了實驗工作，”奧爾森說。 誰進行了貝爾的實驗？ 勞倫斯·伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的約翰·克勞瑟和研究生斯圖爾特·弗里德曼是第一個將貝爾的實驗從頁面帶入實驗室的人。克勞瑟意識到，如果該實驗不涉及旋轉電子，而是涉及偏振光子——光粒子，那么該實驗將更加可行。與電子的自旋方向一樣，光子的極化可以取兩個相對于濾光片方向的值之一。例如，偏光太陽鏡會阻擋以一種方式偏振的光子，而讓以另一種方式偏振的光子進入。 最初，包括理查德·費曼在內的物理學家不鼓勵克勞瑟繼續進行這項實驗，認為量子力學不需要進一步的實驗證明。但是貝爾親自鼓勵克勞瑟完成這項研究，并在 1972 年克勞瑟和弗里德曼成功地實現了貝爾的實驗。他們產生了成對的糾纏光子，并使用透鏡來測量它們的偏振方向。不確定他會發現什么，克勞瑟賭了 2美元，賭他的實驗會證明愛因斯坦是對的。令他驚訝的是，他的結果證明了貝爾的預測是正確的，而愛因斯坦的預測是錯誤的。光子的狀態似乎以一種排除任何隱變量理論的方式相關。克勞瑟輸掉的賭注是量子力學的巨大勝利。 “看到我自己的實驗證明愛因斯坦是錯誤的，我感到非常難過，”他在多年后的一次采訪中說。 但是克勞瑟的證據仍然不是鐵板釘釘的。他的實驗使用了透鏡的固定方向，從而存在漏洞：如果協調光子偏振的隱藏變量以某種方式依賴于透鏡的實驗定位，那么愛因斯坦可能是正確的。 進入阿蘭方面。他在巴黎進行了一系列越來越嚴格的貝爾測試，最終在1982 年進行了一項極其復雜的實驗。在該測試中，在光子從發射器飛到透鏡所消耗的十億分之一秒內，透鏡的方向會隨機改變。鏡片。通過這種方式，初始鏡頭配置被刪除，并且不會影響在發射時設置偏振的任何秘密過程。再一次，實驗發現有利于貝爾和量子力學。 只剩下最微小的漏洞。在實驗開始時是否有以某種方式啟動的秘密且非隨機的過程確定鏡片如何更新？安東·策林格在維也納大學的研究進一步縮小了這個剩余的疑點。在2017 年的一項實驗中，他領導了一個團隊，該團隊利用數百年前遙遠恒星發出的光子顏色來確定實驗的設置。如果某種宇宙陰謀造成了糾纏的錯覺，那么它必須在實驗者出生前幾個世紀就開始了。 一些物理學家仍然提出維持愛因斯坦夢想的理論。例如，超決定論認為，宇宙命運的每一個細節，包括每一個粒子的自旋和極化，都完全固定在大爆炸時——在恒星（或策林格的宇宙貝爾測試）形成之前。 但大多數研究人員都從表面上看待 貝爾、克勞瑟、阿斯佩克特、策林格和他們的團隊的工作。糾纏就是看起來的樣子：這對粒子是一個統一的系統。對于每個單獨的粒子，直到測量的那一刻，自旋和極化等屬性才真正被定義。換句話說，在你測量它之前，現實沒有固定的和預先確定的狀態。這是一個戲劇性的結論，大多數研究人員接受但仍難以完全掌握。 “一個非常基本的問題——這在基本方面意味著什么？- 沒有答案，并且是新研究的途徑，“策林格說。 糾纏有什么用？ 自從愛因斯坦試圖通過強調糾纏的荒謬性來扼殺量子力學以來的近 90 年里，這種現象已不僅僅是哲學辯論的素材。它是推動量子信息科學蓬勃發展的主要引擎之一。 “物理學家現在開始理解糾纏和貝爾對 [是] 一種量子資源，可以用來實現驚人的新事物，”漢森說。 策林格是領導以糾纏技術創造技術奇跡的核心人物之一。1997 年，他和他的同事率先完成了一項稱為量子隱形傳態的壯舉，該技術使用對糾纏粒子的精確測量協議將一個粒子的極化方向轉移到另一個粒子，而研究人員從未得知轉移的極化方向。該技術可能會在量子計算中發揮關鍵作用。“這不像星際迷航電影或其他任何東西，將某些東西——當然不是一個人——運送到一定距離，”策林格在諾貝爾獎頒獎典禮上通過電話說。“關鍵是，使用糾纏，你可以將一個物體攜帶的所有信息轉移到另一個地方，可以說，這個物體是被重組的。” 策林格還開發了一種稱為糾纏交換的程序，涉及發射兩個糾纏的貝爾對，總共四個粒子。當對兩個未糾纏的粒子執行特定測量時，其余兩個會相互糾纏。以這種方式在粒子之間交換糾纏可以幫助連接量子通信網絡中的節點。在1998 年具有里程碑意義的出版物中 https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.80.3891 ，策林格 和他的合作者展示了在從未相互接觸的光子之間交換糾纏的能力。 近年來，此類技術已走出實驗室，進入現實世界。策林格的前學生潘建偉領導了一個中國團隊，該團隊于 2016 年發射了一顆名為“墨子號”的衛星。墨子號向相隔 1000 多公里的中國實驗室發射了成對的光子。該小組的測量結果證明，糾纏在旅途中幸存下來。潘的小組后來與奧地利的 策林格小組合作，在歐亞大陸上分布成對的糾纏粒子。這種長距離糾纏分發了一個秘密信息，即所謂的量子密鑰，任何攔截信息的嘗試都會破壞該信息。該演示為基本上牢不可破的密碼學鋪平了道路，這將由經過全面測試的量子力學基礎來保證。 近年來誰獲得了諾貝爾物理學獎？ 去年（2021年），Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann 因其對氣候變化影響的可靠預測所做的工作而獲獎；他們與 Giorgio Parisi 分享了諾貝爾獎，后者對混沌物理系統進行了開創性的研究。 2020年，Roger Penrose（彭羅斯也是數學家，zzllrr小樂譯注）、Reinhard Genzel 和 Andrea Ghez 因對黑洞的研究而獲獎。 2019年，諾貝爾獎的一半授予天文學家 Michel Mayor 和 Didier Queloz，因為他們在1995 年發現了一顆圍繞附近恒星運行的類木星行星，另一半授予了宇宙學家 James Peebles 探索宇宙結構的工作。 2018年，三位激光物理學家獲此殊榮：亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因發明“光鑷”而獲得半數獎金，熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）因在超短激光脈沖方面的工作而獲獎。 2017年，諾貝爾獎授予了美國物理學家 Rainer Weiss、Kip Thorne 和 Barry Barish，他們是證實引力波存在的實驗的三位建筑師。 原文鏈接： https://www./pioneering-quantum-physicists-win-nobel-prize-in-physics-20221004/ |
|
|
