2022-10-24 文：王珩 由 量子前哨 發表于科學

北京時間2022年10月4日，2022年諾貝爾物理學獎宣布頒發給法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·克勞瑟（John F. Clauser）、奧地利量子物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）三人，以表彰他們「對糾纏光子進行的實驗，證明了對貝爾不等式的違反和開創性的量子信息科學」。 提到三人的貢獻，不能不說人類對於量子力學的認知過程。量子力學是物理學的一個分支，它在原子和亞原子領域的粒子尺度上解釋自然，這些粒子包括光子、電子和夸克等，其基本思想是這些微觀粒子的屬性是概率性的。

上帝不擲骰子

眾所周知，愛因斯坦既是量子力學的創始人，也是量子力學的批評者。他對這個理論最強烈的抱怨總結在這句話中：「上帝不擲骰子」。幾乎每個人都知道這句話，但它到底是什麼意思呢？ 量子力學是一種非確定性理論，這意味著它不能預測實驗的確切結果，它只能預測在實驗中執行的每個可能測量的每種可能結果的概率。在愛因斯坦看來，事物應該是實在確定的，不因測量而改變，概率性只是因為現有的量子理論是不完整的。因此，他認為應該有一個潛在的現實隱藏在我們面前（隱變量），量子力學只是這個現實的近似解釋。

在量子力學中，量子糾纏被解釋為一組粒子發生相互關聯而必須以整體方式去描述的物理現象，該組中每個粒子的量子狀態均不能獨立於其他粒子的狀態來描述。如果有兩個粒子發生了量子糾纏，觀察者通過「觀測」確定了一個粒子的量子態，另一個粒子的量子態會同時發生坍縮而確定下來，無論這兩個粒子之間的距離相隔多遠（比如數億光年之外），這被稱作「非定域性」。玻爾、薛丁格等著名科學家對量子糾纏的非定域性持支持態度。

愛因斯坦和玻爾的辯論

如果粒子之間有某種方式及時地「互通消息」，那必然是一種超距瞬時的信號，而這又與相對論中光速不可超越相違背。因此，量子糾纏被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距離現象」，並質疑這一理論。他與普林斯頓大學的同事鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）一起在1935年發表了一篇論文，表明量子力學詮釋似乎無法提供對現實的完整描述，被稱為EPR悖論。愛因斯坦認為處於糾纏狀態的粒子之間的相關性正是因為它們包含某種「隱藏變量」。 如何用實驗去區分糾纏狀態的粒子之間的相關性是源於量子力學內稟的性質，還是源於某種「隱藏變量」呢？

貝爾不等式

1964年，當時在瑞士歐洲核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell）對於證明隱變量的存在很感興趣，他專門研究核物理，研究量子力學主要是一種愛好。他發表了一篇開創性的論文，在其中根據嚴格的數學推理，並設計了一種實驗可以確定這一問題。如果貝爾實驗重複多次，所有帶有隱變量的理論都會導致結果之間的相關性小於等於某個特定值，這稱為貝爾不等式。如果實驗的結果違反了這個不等式，就意味著沒有隱變量，量子力學對於糾纏的解釋才是正確的。 要做糾纏的實驗，首先要製備相互糾纏的粒子。美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）此前曾假設在正負電子相遇時會泯滅，並放出一對光子，這一對光子就是相互糾纏的。早在1948 年，在美國哥倫比亞大學吳建雄實驗室中，吳建雄和薩科諾夫首次成功地做了這個實驗，這也是人類第一次製備出相互糾纏的粒子。但是此時的糾纏粒子不太穩定，無法用於驗證貝爾不等式。而貝爾最初打算使用自旋電子對來進行實驗驗證，但由於實驗難度太大一直無法實現。