作者：科普作家吳京平（平哥）
2022年諾貝爾物理學獎揭曉
2022年的諾貝爾物理學獎已經正式揭曉了。得獎的是三位實驗物理學家：法國的阿斯派克特、美國的克勞瑟和奧地利的塞林格。獲獎的理由是「用纏結光子驗證了量子不遵循貝爾不等式，開創了量子資訊學」。
我很高興啊，因為這一次我猜對了，我在今年的諾獎揭曉之前曾經做了一次音訊節目，講的就是諾獎風向標。這三位科學家在2010年就曾經獲得過沃爾夫獎，這也是諾獎風向標之一，所以我猜他們有可能會獲獎。
量子纏結與貝爾不等式
有關量子纏結這檔子事，最早可以推回到1935年。愛因史坦和波多斯基以及羅森三個人合寫了一篇論文，提出了EPR佯謬。E代表愛因史坦，P代表波多斯基，R代表羅森。
當時物理學界分了兩大派，一派是波耳為首的哥本哈根學派，另一派就是愛因史坦和薛丁格為首的反對派。愛因史坦和波耳吵架，始終也沒吵贏過。他主要是對量子的疊加態這個概念很不爽。就是為了給疊加態這個概念找別扭，才專門提出了這個EPR佯謬。
薛丁格也對疊加態很不爽，所以，他才設計了那個著名的「虐貓事件」。一只貓可不可能既是死的又是活的，處於死與活的疊加態？毛病就出在這個疊加態上。疊加態塌縮更離譜了，難道你一觀察，貓的疊加態就瞬間塌縮，變成了決定性的，要麽死，要麽活？你這個觀察者這眼光也太厲害了吧。
所以，後來薛丁格在看到愛因史坦的EPR論文以後，一個詞脫口而出——量子纏結。這個概念就是這麽來的。
有關這個理論，我們不妨做個簡化版的描述。你可以設想這樣一個過程：一台機器會發射不同顏色的小球。如果愛麗絲接到一個白色的球，對面的鮑伯一定會接到一個黑色的球，反正是這兩個球的顏色總是相反的。
玻姆提出了一個隱變量理論。如果按照隱變量的理論，這兩個球在發射出來之前就已經決定了。這個觀念很符合大家的一般認知。
但是，如果按照疊加態的說法，這兩個球在發射出來以後，一直是處在疊加態。直到愛麗絲觀察到這個小球A的那一刻，小球才突然從疊加態 隨機 塌縮成白色。同時，就像是心靈感應一般，對面的那個小球B也必須保持和A狀態相反。所以B也突然從疊加態塌縮成了黑色，不管距離多遠，哪怕在宇宙盡頭，也得立馬跟著變過來。
愛因史坦認為，這種鬼魅般的超距作用是不可能的。但是，我們僅從觀察上無法區分到底發生了什麽。到底存不存在鬼魅般的超距作用，到底存不存在隱變量，這就成了一個懸案。時間長了，這也就變成了扯不出答案的哲學問題了。
其實物理學家惠勒很早就提出了正負電子相互泯滅，會放出一對光子，這一對光子應該是相互纏結的。1948年，哥倫比亞大學吳建雄和薩柯諾夫成功地做出了這個實驗，這是人類第一次搞出相互纏結的粒子。但是那時候搞出來的纏結粒子都不太穩定，沒有多少實用性。
圖：吳健雄
後來嘛，大家註意力都不在這裏，大家都在鼓搗對撞機呢。一直到了1964年，物理學家貝爾才給出了一個驗證方法，這就是所謂的「貝爾不等式」。這就使得扯不清的哲學問題再一次變成了實驗物理的問題。
克勞瑟
貝爾提出他的不等式以後，並沒有太多的人關心。但是，有一個人對這事兒特別留意，他就是這一次的諾獎得主克勞瑟。
前面鋪墊太長了，到現在主角才出來。
克勞瑟當時在加州理工，他就跟著名物理學家費曼提出了自己的想法，要做實驗來驗證貝爾不等式，結果費曼蹦起來就把他從辦公室給扔出去了。這是他自己後來回憶的，不是我瞎說。
後來克勞瑟去了哥倫比亞大學，因為哥倫比亞大學搞理論的有李政道，搞實驗的有吳健雄。這個環境好啊，你隨便挑啊。
克勞瑟去了以後就跟吳健雄實驗室的人打聽，當年他們如何做出纏結粒子的。這都過去20年了誰還想得起來呢？但是，克勞瑟也知道了，當年他們做出的纏結的粒子很不穩定，沒法用來做其他實驗。
反正，當時克勞瑟癡迷於研究如何驗證貝爾不等式，自己的主要工作做得並不好。結合昨天我們講到的帕博（2022年諾貝爾生理學或醫學獎得主），似乎這些未來的諾獎得主都得從不務正業開始。
克勞瑟後來成了雷射大神湯斯的手下，湯斯是第一個在微波頻段實作受激放射線的人，其實就是頻率在微波波段的雷射。湯斯這個老板還是很開明的，他允許克勞瑟花一半的時間研究貝爾定理，這就是合法的不務正業嘛。
圖：湯斯
沒有湯斯的支持，克勞瑟很難取得後面的成果。克勞瑟與其他人一起改進了貝爾不等式，變得比較容易實驗。而且他們還改進了試驗方法。他們找到了一種新的方法來產生纏結的光子。就是用紫外線來照射鈣原子，有一定機率會產生一對纏結的光子，一個是551奈米的綠光，另一個是423奈米的藍光，顏色不一樣。
但是這個實驗依然很難搞，克勞瑟和小夥伴們累計試驗了200多個小時。制備纏結光子對非常困難，大概一百萬光子裏只有一對纏結光子，比率太低了。在1972年，他們終於公布了結果，最後的結果不支持隱變量理論，實驗結果違反了貝爾不等式。
當然，這個實驗並不是沒有漏洞的，所以還是不能一錘定音。真正要取得下一個進展，還要等到10年以後。
阿斯派克特
提出貝爾不等式的那個貝爾本人一直在歐洲核子研究組織工作。這一天，有個學生開著車興沖沖地從巴黎趕來找貝爾。這家夥是貝爾的粉絲，也在惦記著做貝爾實驗。可貝爾不認識他，來的這個人自我介紹：我叫阿斯派克特。
大家別急哦，第二位主角登場啦。
這個阿斯派克特是法國人，他去喀麥隆當了3年的誌願者，上非洲搞扶貧去了。在扶貧期間，他看了好多有關量子力學的書籍，對量子纏結和EPR特別感興趣。做完了誌願工作，他立馬拎包回了巴黎，一高興就考上了巴黎大學的物理學博士生。
你看人家的水平啊，要考上就考上了。
這個阿斯派克特也跟量子纏結死磕上了。他也知道克勞瑟他們做的貝爾實驗，他要做的第一步就是重復克勞瑟的實驗。他改用雷射激勵鈣原子，雷射的效率非常高，做出來的效果比當年的克勞瑟高了好幾倍，實驗結果是大振幅偏離了貝爾不等式。
圖：當時的實驗室
第二步就需要利用雙鍊結的方法來提高光子的利用率，減少前人實驗中的所謂「偵測漏洞」。這個實驗也大獲成功，最後以40倍於誤差範圍的偏離，違背了貝爾不等式。這個效果比上次還要好得多。
第三步，他搞定了延遲決定實驗，這個主意還是貝爾出的。所謂的延遲決定實驗，就是要徹底斷絕兩個光子之間暗通訊息的可能性。為什麽纏結光子在透過檢驗的時候，偏振方向總是相互垂直的呢？到底是因為鬼魅般的纏結作用，還是光在用什麽我們不知道的辦法暗通訊息？
那好啊，我們等著光子飛出來，快要到檢驗器門口了，突然改變檢驗器的偏振角度。訊息最快不超過光速。偏振角度切換極快，這時候兩個光子相距13公尺，無論如何來不及互相通訊息了。這樣做出來的實驗漏洞更少。
阿斯派克特團隊最後獲得的結果，依然是大振幅偏離了貝爾不等式，基本可以認為愛因史坦是徹底錯了。
但是，你非要雞蛋裏挑骨頭，漏洞總是有的。你用來控制檢驗器偏振方向的那個隨機數發生器，是不是真隨機呢？這就輪到第三位主角登場了。
安東·塞林格
安東·塞林格利用遙遠星系發出的訊號作為控制訊號。這可是真隨機，而且這個隨機數發生器太遠了，實在是沒機會參與作弊。結果依然是違反了貝爾不等式，漏洞也比以前更少了。
安東·塞林格專註的領域是在量子纏結，這是貝爾實驗的基礎。他對多光子纏結及量子傳輸做出了開創性的貢獻。這種技術不但對檢驗量子力學的基本原理有很大的用處，而且還對量子資訊發展提供了很大的助力，無論是量子通訊還是量子計算都是離不開量子纏結的。要是沒有量子纏結技術，量子電腦相對於經典電腦就體現不出優勢了。
塞林格最重要的貢獻是在1997年實作了量子隱形傳態。潘建偉院士當時是他的研究生，對這篇論文也有非常重要的貢獻。
量子隱形傳態到底是什麽意思呢？打個比方，用顏色表示狀態，A粒子最初是紅色的，透過隱形傳態，我們讓遠處的B粒子變成紅色，而A粒子同時變成了綠色。
其實，我們完全不需要知道A最初是什麽顏色。無論A是什麽顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色，同時A的顏色改變。
當然，說起來簡單，做起來復雜。要讓遠方的B跟著起變化，就必須借助和B纏結的粒子C。這個C留在家裏，和A距離很近，但是B必須傳送到足夠遠的地方才有實用意義。和5公尺開外的人通訊，喊一嗓子就夠了，用不著量子通訊。
所以，先要弄出一對纏結光子。把一個光子發送到遠方，這是其中非常重要的一步。一開始塞林格他們傳輸的距離很短，後來他們把纏結的光子發過了多瑙河，實作了跨越多瑙河的隱形傳態。
再下一步是實作了非洲加納利群島各個島嶼之間的量子隱形傳態，距離就拉伸到了上百千米。最誇張的就是利用墨子號衛星實作高達上千公裏的量子纏結。當然啦，這是我們中國人的貢獻。在諾獎揭曉儀式的講解之中，還特別提到了這個成就。
結語
1997年實作的是單個光子的單個自由度的量子隱形傳態，現在要實作的是單個光子的多個自由度的量子隱形傳態。完整意義的量子隱形傳態，應該說是2015年才由潘建偉院士團隊實作的，現在我們才是這方面的領軍者。
不管怎麽說，克勞瑟、阿斯派克特和塞林格能夠獲得2022年的諾貝爾獎，就是國際科學界對他們巨大成就的認可。開創者和奠基者完成的是從0到1的突破。
同時，我們又一次發現，其實我們中國人也深度參與其中。從0.5到1的這部份，我們有參與。從1到100這段路還沒走完，現在看，我們也是領先的。
所以，我想再次重申我的觀點，盡管我們還沒達到前三名的水平，還不能站上領獎台。但是，我們也有優秀的科技人才在向這個水平靠近，他們就潛伏在台下，可能是第四名、第五名也說不定哦。未來一定有希望站上領獎台，對此，我們有信心，有耐心。
