Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger利用突破性的實驗證明了研究和控制糾纏態粒子的潛力。糾纏對中一個粒子的情況決定了另一個粒子的情況，即使它們真的相距太遠而不會相互影響。獲獎者對實驗工具的開發為量子技術的新時代奠定了基礎。

量子力學的基礎不僅僅是一個理論或哲學問題。正在進行緊張的研究和開發，以利用單個粒子系統的特殊屬性來構造量子計算機、改進測量、建立量子網絡和建立安全的量子加密通信。

許多應用依賴於量子

力學允許兩個或更多的粒子以共享狀態存在，不管它們相距多遠。這被稱為糾纏，自從量子力學的理論形成以來，它一直是量子力學中最有爭議的元素之一。阿爾伯特·愛因斯坦談到了幽靈般的超距作用，埃爾溫·薛丁格說這是量子力學最重要的特徵。

今年的獲獎者探索了這些糾纏的量子態，他們的實驗為量子技術目前正在進行的革命奠定了基礎。

遠離日常經驗

當兩個粒子處於糾纏量子態時，測量一個粒子的性質的人可以立即確定另一個粒子的等效測量結果，而不需要檢查。

乍一看，這也許並不奇怪。如果我們考慮的是球而不是粒子，可以想像一個實驗，一個黑球往一個方向送，一個白球往相反方向送。一個觀察者抓住一個球，看到它是白色的，他可以馬上說這個朝另一個方向運動的球是黑色的。

量子力學之所以如此特別，是因為它的等效球在被測量之前沒有確定的狀態。就好像兩個球都是灰色的，直到有人看到其中一個。然後，它可以隨機選擇一對球可以得到的所有黑色，或者顯示自己是白色。另一個球立即變成相反的顏色。

但是怎麼可能知道這些球在開始的時候不是都有固定的顏色呢？即使它們看起來是灰色的，也許它們裡面有一個隱藏的標籤，告訴人們當有人看它們時，它們應該變成哪種顏色。

沒人看的時候顏色存在嗎？

量子力學的糾纏對可以比作一台向相反方向拋出不同顏色的球的機器。當鮑勃抓住一個球，看到它是黑色的，他馬上知道愛麗絲抓住了一個白色的。在一個使用隱藏變量的理論中，這些球總是包含著隱藏的信息，即顯示什麼顏色。然而，量子力學說，這些球是灰色的，直到有人看到它們，當一個隨機變成白色，另一個變成黑色。貝爾不等式表明，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。

獲得今年諾貝爾物理學獎的研究的一個重要部分是一個叫做貝爾不等式的理論見解。貝爾不等式使得區分量子力學的不確定性和使用秘密指令或隱藏變量的替代描述成為可能。實驗表明，大自然的行為正如量子力學所預測的那樣。這些球是灰色的，沒有秘密信息，在一次實驗中，機會決定了哪些變成黑色，哪些變成白色。

量子力學最重要的資源

糾纏量子態有可能成為存儲、傳輸和處理信息的新方式。

如果一對糾纏在一起的粒子以相反的方向運動，然後其中一個粒子遇到第三個粒子，使它們糾纏在一起，就會發生有趣的事情。然後他們進入

新的共享狀態。第三個粒子失去了它的身份，但它的原始屬性現在已經從原始粒子對轉移到了單獨粒子。這種將未知的量子態從一個粒子轉移到另一個粒子的方式被稱為量子隱形傳態。1997年，Anton Zeilinger和他的同事首次進行了這種類型的實驗。

值得注意的是，量子隱形傳態是將量子信息從一個系統轉移到另一個系統而不丟失任何部分的唯一方法。測量一個量子系統的所有特性，然後將信息發送給想要重建該系統的接收者，這是絕對不可能的。這是因為一個量子系統可以同時包含每個屬性的幾個版本，每個版本都有一定的概率在測量中出現。一旦進行測量，就只剩下一個版本，即測量儀器讀取的版本。其他人都失蹤了，不可能知道他們的任何事情。然而，完全未知的量子屬性可以使用量子隱形傳態進行傳輸，並完好無損地出現在另一個粒子中，但代價是它們在原始粒子中被破壞。

一旦實驗證明了這一點，下一步就是使用兩對糾纏粒子。如果每對粒子中的一個粒子以特定的方式聚集在一起，那麼每對中未受干擾的粒子可能會糾纏在一起，儘管它們從未相互接觸過。安東·澤林格的研究小組在1998年首次證明了這種糾纏交換。

糾纏的光子對，即光粒子，可以通過光纖以相反的方向發送，並在量子網絡中充當信號。兩對之間的糾纏使得在這樣的網絡中擴展節點之間的距離成為可能。光子在被吸收或失去特性之前，通過光纖傳輸的距離是有限的。普通的光信號可以在途中被放大，但這對糾纏的線對不起作用。放大器必須捕捉並測量光線，才能打破糾纏。然而，糾纏交換意味著有可能將原始狀態傳送得更遠，從而將它傳送到比以前更遠的距離。

從未相遇的糾纏粒子

兩對糾纏粒子從不同的源發射出來。每對粒子中的一個以一種特殊的方式聚集在一起，使它們糾纏在一起。另外兩個粒子(圖中的1和4)也糾纏在一起。這樣，兩個從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。

從悖論到不平等

這一進步依賴於多年的發展。它始於一個令人難以置信的見解，即量子力學允許一個單一的量子系統被分成彼此分離的部分，但仍然作為一個單一的單元。

這違背了所有關於因果和現實本質的通常觀念。某物怎麼會受到發生在其他地方的事件的影響而沒有被來自它的某種形式的信號到達？信號的傳播速度不可能超過光速——但在量子力學中，似乎不需要信號來連接擴展系統的不同部分。

阿爾伯特·愛因斯坦認為這是不可行的，並與他的同事鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森一起研究了這一現象。他們在1935年提出了他們的推理:量子力學似乎沒有提供對現實的完整描述。這被稱為EPR悖論，以研究人員的首字母命名。

問題是是否有更完整的世界描述，而量子力學只是其中的一部分。例如，這可以通過總是攜帶隱藏信息的粒子來工作，這些隱藏信息是關於它們將作為實驗結果顯示的信息。然後，所有的測量都顯示出在進行測量的地方確切存在的屬性。這種類型的信息通常被稱為局部隱藏變量。

在歐洲粒子物理實驗室CERN工作的北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(1928-1990)仔細研究了這個問題。他發現有一種實驗可以確定世界是否是純量子力學的，或者是否有另一種隱藏變量的描述。如果他的實驗重複多次，所有有隱藏變量的理論顯示結果之間的相關性必須低於或至多等於一個特定值。這就是所謂的貝爾不等式。

然而，量子力學可以違反這個不等式。與通過隱藏變量預測的結果相比，它預測的結果之間的相關性值更高。

20世紀60年代，學生約翰·克勞薩對量子力學的基礎產生了興趣。一旦他讀到約翰·貝爾的想法，他就無法擺脫，最終，他和其他三名研究人員能夠提出一個現實類型的實驗，可以用來測試貝爾不等式。

這個實驗包括向相反的方向發送一對糾纏的粒子。在實踐中，使用了具有偏振特性的光子。當粒子發射時，偏振的方向是不確定的，可以確定的是粒子具有平行的偏振。

這可以用一個允許特定方向偏振通過的濾波器來研究(見第6頁貝爾不等式實驗圖)。這是許多太陽鏡使用的效果，它阻擋在某個平面上被極化的光，例如通過反射水。

如果實驗中的兩個粒子都被送往同一平面(如垂直方向)的過濾器，其中一個通過，那麼另一個也會通過。如果它們彼此成直角，一個將被阻止，而另一個將通過。訣竅是以傾斜的角度用不同方向的過濾器進行測量，因為這樣結果會有所不同:有時兩者都漏網，有時只有一個漏網，有時一個也沒有。兩種粒子通過過濾器的頻率取決於過濾器之間的角度。

量子力學導致測量值之間的相關性。一個粒子通過的可能性取決於過濾器的角度，該過濾器在實驗裝置的另一側測試其夥伴的偏振。這意味著，在某些角度上，兩次測量的結果都違反了貝爾不等式，並且比由隱藏變量控制的結果具有更強的相關性，而這些結果在粒子發射時就已經被預先確定了。

侵犯不平等

約翰·克勞薩立即開始著手進行這項實驗。他建造了一個裝置，一次發射兩個糾纏的光子，每個光子朝向一個過濾器，測試它們的偏振。1972年，他和博士生斯圖爾特·弗里德曼(1944-2012)一起，展示了一個明顯違反貝爾不等式的結果，並同意量子力學的預測。

在接下來的幾年裡，約翰·克勞薩和其他物理學家繼續討論這個實驗及其局限性。其中一個原因是，無論是產生粒子還是捕獲粒子，該實驗的效率普遍較低。測量也是預先設定的，濾光器處於固定的角度。因此存在漏洞，觀察者可以質疑結果:如果實驗裝置以某種方式選擇了恰好具有強相關性的粒子，而沒有檢測到其他粒子，那會怎樣？如果是這樣，這些粒子可能仍然攜帶著隱藏的信息。

消除這個特別的漏洞是困難的，因為糾纏在一起的量子態是如此的脆弱和難以管理；有必要處理單個光子。法國博士生Alain Aspect沒有被嚇倒，他建立了一個新版本的設置，並經過多次疊代進行了改進。在他的實驗中，他可以記錄通過和沒有通過過濾器的光子。這意味著探測到了更多的光子，測量結果也更好。

在他的測試的最後一個變體中，他還能夠將光子導向兩個不同角度的不同過濾器。finesse是一種機制，在糾纏光子產生並從它們的源頭髮出後，它會改變它們的方向。濾光器只有6米遠，所以轉換需要在幾十億分之一秒內發生。如果關於光子將到達哪個過濾器的信息影響了光子從光源發射的方式，那麼光子將不會到達那個過濾器。關於實驗一側的濾光器的信息也不會傳到另一側並影響那裡的測量結果。

這樣，Alain Aspect就堵上了一個重要的漏洞，提供了一個非常明確的結果:量子力學是正確的，不存在隱變量。

量子資訊時代

這些和類似的實驗為當前量子信息科學的深入研究奠定了基礎。

能夠操縱和管理量子態及其所有的屬性層讓我們獲得了具有意想不到的潛力的工具。這是量子計算、量子信息的傳輸和存儲以及量子加密算法的基礎。安東·澤林格和他的同事們首先探索了兩個以上粒子糾纏在一起的系統。

貝爾不等式實驗

約翰·克勞薩使用鈣原子，用特殊的光照射後，這些鈣原子可以發射糾纏光子。他在兩邊安裝了一個過濾器來測量光子的偏振。經過一系列的測量，他能夠證明他們違反了一個貝爾不等式。

Alain Aspect開發了這個實驗，使用一種新的方法來激發原子，使它們以更高的速度發射糾纏光子。他還可以在不同的設置之間切換，因此系統不會包含任何可能影響結果的預先信息。

安東·澤林格後來對貝爾不等式進行了更多的測試。他通過用雷射照射一種特殊的晶體來製造糾纏的光子對，並使用隨機數在測量設置之間轉換。一項實驗使用來自遙遠星系的信號來控制過濾器，確保信號不會相互影響。

這些日益完善的工具讓現實應用變得越來越接近。糾纏量子態現在已經在通過幾十公里長的光纖傳送的光子之間，以及衛星和地面站之間得到了證明。在很短的時間內，世界各地的研究人員發現了許多新的方法來利用量子力學最強大的屬性。

第一次量子革命給了我們電晶體和雷射，但由於當代操縱糾纏粒子系統的工具，我們現在正進入一個新時代。