近日，瑞典皇家科學院宣布，將2022 年諾貝爾物理學獎授予阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John F. Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們「用糾纏光子進行實驗，確立了貝爾不等式的違背，開創了量子信息科學」。

以下為諾貝爾獎委員會對此次獲獎工作官方介紹文件（通俗版）全文翻譯。

量子力學的基礎不僅僅是一個理論或哲學問題。利用單粒子系統的特殊性質來構建量子計算機、改進測量、建造量子網絡和安全的量子保密通信，這些研究和進展正在蓬勃發展之中。

許多應用依賴於量子力學的一個獨特性質：允許兩個或更多粒子存在於一個共享的狀態，無論它們相距多遠。這就是所謂的「糾纏」。自從量子力學建立以來，它一直是爭論最多的主題之一，阿爾伯特·愛因斯坦稱其為「幽靈般的超距作用」，埃爾溫·薛丁格認為這是量子力學最重要的特徵。

今年的獲獎者對糾纏的量子態進行了探索，他們的實驗為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。

遠離日常經驗

當兩個粒子處於量子糾纏態時，對其中一個粒子的性質進行測量，無需檢測就可以立即知道如果對另一個粒子進行同等測量將會得到什麼結果。

初看起來，這也許並無奇怪之處。將粒子看作小球，我們想像這樣一個實驗：其中的黑球朝一個方向行進，而白球朝相反方向行進。如果觀察者接住了一個球、看到它是白色的，那麼可以立即得知：向另一個方向行進的球是黑色的。

而量子力學的奇特之處在於，在被測量之前，量子版本的「小球」沒有確定的狀態。這就好像兩個球都是灰色的，直到有人看了其中一個球。這時，這個球就會隨機地或者獲得兩個球的所有黑色元素或者顯示為白色，而另一個球同時變成相反的顏色。

但是，怎麼可能知道這些球一開始就沒有一個被設定好了的顏色呢？即便它們看起來是灰色的，也許在它們內部有一個「隱藏的標籤」，規定好了當有人看它們時，它們應該變成哪種顏色。

無人觀看之時，顏色是否存在？

量子力學中的糾纏對可以比作一台把相反顏色球向相反方向投擲的機器。當鮑勃抓到一個球、看到它是黑色的，他立即就可以知道愛麗絲抓到的是白色的球。有一種理論，它引入了隱藏變量，也就是說，這些球一直包含著關於顯示什麼顏色的隱藏信息。然而量子力學卻說，這些球是灰色的，直到有人看它們——這時，隨機地，其中一個變成白色，另一個變成黑色。

貝爾不等式表明，有一些實驗可以區分這些情況。這些實驗最終證明了，量子力學的描述是正確的。

今年諾貝爾物理學獎所獎勵的研究中，一個重要部分是叫做「貝爾不等式」的理論見解。是量子力學的不確定性，還是具有某種秘密指令（或說隱變量）的另一種理論？貝爾不等式能讓我們對其進行區分。實驗已經表明，大自然正如量子力學所預測的那樣運行。球是灰色的，沒有秘密信息，概率決定了在實驗中哪些球變成黑色、哪些變成白色。

量子力學的最重要資源

糾纏的量子態給如何存儲、傳輸和處理信息帶來了新的可能。

如果糾纏對中的粒子朝相反的方向行進，其中一個粒子以某種方式與第三個粒子相遇而使得它們產生了糾纏，這時有趣的事情發生了。它們會進入一種新的共享狀態。第三個粒子失去了其特徵，但它原來的性質現在已經轉移到了原來糾纏對中現在「落單」的那個粒子上。將未知量子態從一個粒子轉移到另一粒子的這種方式被稱作「量子隱形傳態」。這類實驗由安東·塞林格及其同事在 1997 年首次完成。

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系統而沒有任何損失的唯一方法。想要測量出一個量子系統的所有性質，然後將其傳輸給接收者來重建整個系統，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性質的多個「版本」，每個版本在測量中都有一定的出現概率。而一旦執行了測量，就只剩下一個版本，即被測量儀器讀取的那個。其他的已經消失，不再可能知道它們的任何事情。然而，完全未知的量子性質可以通過量子隱形傳態來傳輸，它將完好無損地出現在另一個粒子上，其代價是在原粒子中消失殆盡。

一旦這在實驗中被證實，下一步就是使用兩個糾纏粒子對。如果每個粒子對中的一個粒子以一種特殊的方式被聚集到一起，那麼每個粒子對中未受擾動的那個粒子就會糾纏在一起，儘管它們從未相互接觸過。這種糾纏交換在 1998 年由安東·塞林格的研究小組首次證實。

從未相遇的糾纏粒子

兩對糾纏粒子從不同的源發射出來。每對粒子中的一個粒子（圖中的 2 和 3）以一種特殊的方式被聚集到一起、發生糾纏。那麼，另外兩個粒子（圖中的 1 和 4）也被糾纏起來。通過這種方式，兩個從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。

光子（即光的粒子）的糾纏對，可以通過光纖往相反的方向發送，並在量子網絡中起到信號作用。兩對光子對之間的糾纏使得擴展網絡節點之間的距離成為可能。光子通過光纖發送的距離是有限制的，因為光子會被吸收或失去其性質。普通的光信號可以沿途被放大，但這種方法不適用於糾纏對——放大器必須捕獲並測量光，這將破壞糾纏。然而，糾纏交換意味著可以將原始狀態發送得更遠，從而實現比其他方式更長的傳輸距離。

從佯謬到不等式

這一進展基於多年的發展。它始於令人驚愕的洞察力——量子力學允許一個單一量子系統被分割成彼此分離的各部分，但它們仍然作為一個整體來行動。

這違背了關於因果和現實本質的所有通常想法。一個事件怎麼可能被發生在另一地方的事件影響呢——如果沒有接受到來自那裡的某種形式的信號？信號的傳播速度不可能超過光速——但在量子力學中，一個擴展系統的不同部分似乎完全沒有必要通過信號來連接。

愛因斯坦（Albert Einstein）認為這是不可行的，並與同事波多爾斯基（Boris Podolsky）、羅森（Nathan Rosen）一起研究了這一現象。他們在 1935 年提出了他們的推想：量子力學似乎沒有提供對現實的完整描述。這被稱為EPR佯謬，以研究人員姓名的首字母命名。

問題是，是否有一種對世界更完整的描述，而量子力學只是其中的一部分。例如，事情可以是這樣：粒子總是攜帶關於它們被測量後將顯示什麼結果的隱藏信息。那麼，所有的測量都顯示了就在執行測量的位置所具有的性質。這類信息通常被稱作「局域隱變量」。

當時在CERN工作的北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Stewart Bell）對這一問題進行了仔細研究。他發現有一類實驗，可以檢測世界是否純粹是量子力學的，或者是否可能存在帶有隱變量的另一種描述。重複多次他的實驗，所有隱變量形式的理論所顯示出的結果之間的相關性，都必須低於或最多等於某一特定值。這就是所謂的「貝爾不等式」。

然而，量子力學可以違反這一不等式。它所預測的結果之間的相關性比任何局域隱變量理論的預測都要高。

1960年代，約翰·克勞澤還是一名學生時，就對量子力學的基礎原理產生了興趣。當讀到約翰·貝爾的想法後，這一想法就縈繞在他腦海之中、揮之不去。最終，他和其他三名研究人員提出了一個可以在現實實驗中執行的協議，來測試貝爾不等式。

實驗涉及往相反方向發送一對糾纏的粒子（見下圖）。實際中，使用的是具有偏振性質的光子。當粒子被發射時，偏振方向是不確定的，唯一可以確定的是粒子具有平行的偏振。可以用濾光片來開展研究，此濾光片允許特定方向的偏振光通過。這就是許多太陽鏡所利用的效應，它可以阻擋在某一平面上偏振的光線，例如被水面反射的光。

約翰·克勞澤使用的是鈣原子，被一種特殊的光照射後，它可以發出糾纏光子。他在兩邊各設置了一個濾光片，用來測量光子偏振。經過一系列測量，他發現它們違反了貝爾不等式。

實驗中，當兩個粒子被發送到朝向平行放置的濾光片（比如都垂直放置）時，如果一個粒子能夠通過，那麼另一個也會通過。而當兩個濾光片彼此成直角放置，那麼一個粒子會被阻擋，而另一個將通過。巧妙之處在於，針對有一定傾斜角、不同方向放置濾光片的情況進行測量，結果會有變化：有時兩個粒子都通過，有時只有一個通過，有時都不通過。兩個粒子同時通過濾光片的概率取決於濾光片之間的角度。

量子力學導致了測量之間的相關性。一個粒子通過的可能性取決於在實驗裝置另一側測試其「夥伴」偏振的濾光片的角度。這意味著，在某些角度上，兩個測量的結果違反了貝爾不等式，與由隱變量支配、預先已經確定了的結果相比，具有更強的相關性。

被違反的不等式

約翰·克勞澤立即開始實施這一實驗。他建造了一台一次發射兩個糾纏光子的儀器，每個光子都射向一個檢測其偏振的濾光片。1972 年，與博士生斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman，1944—2012）一起，他們展示了明顯違反貝爾不等式的實驗結果，與量子力學的預測一致。

在隨後的幾年，約翰·克勞澤和其他物理學家繼續討論這一實驗以及實驗的不足。其中之一是，在粒子的製備和捕獲上，實驗總是效率很低。測量也是預先設定好的，濾光片處在固定的角度。因此存在漏洞，觀察者可以對結果提出質疑：會不會是由於實驗裝置以某種方式選擇了恰巧具有強相關性的粒子，而沒有檢測到其他粒子？如果是這樣的話，粒子仍可能攜帶有隱藏信息。

消除這一漏洞是困難的，因為糾纏的量子態極其脆弱、難以操控；處理單個光子是必要的。當時的法國博士生阿蘭·阿斯佩沒有被嚇倒，經過多次疊代改進，他構建了一個新版本的設置。在他的實驗中，可以記錄通過濾光片的光子和沒有通過的光子。這意味著可以檢測到更多的光子，測量更好了。

在實驗的最後一個改進版本中，他還能夠將光子導向以不同角度放置的兩個不同濾光片。巧妙之處在於，糾纏光子從源中生成、發射出之後，還有一種機制，能夠改變它們的方向。濾光片只在6米之外，所以方向切換需要在十億分之一秒量級之內完成。如果光子將要到達哪個濾光片的信息影響了它從源發射的方式，它就不會到達那個過濾器。實驗一側的濾光片信息也不會傳到實驗的另一側，從而影響那裡的測量結果。這樣，阿蘭·阿斯佩堵住了一個重要的實驗漏洞，給出了一個清晰明確的結果：量子力學是正確的，沒有隱變量。

阿蘭·阿斯佩改進了實驗，他使用了一種新方式來激發原子，能夠以更高的速率發射糾纏光子。他還可以實現不同設置之間的切換，使系統不包含任何可能影響結果的預置信息。

安東·塞林格後來對貝爾不等式進行了更多測試。他通過雷射照射特殊晶體來製備糾纏光子對，並使用隨機數來控制測量設置之間的轉換。有一個實驗，是使用來自遙遠星系的信號來控制濾光片，確保信號不相互影響。

量子信息的時代

這些類似的實驗為現今蓬勃發展的量子信息科學研究奠定了基礎。

操縱和管理量子態的能力，能給我們帶來新工具，其潛力超乎我們的想像。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。現在，具有兩個以上粒子的系統（所有粒子都糾纏在一起）正在進入實際應用，安東·蔡林格和他的同事們是第一個探索纏在一起的，現在正在使用中，而安東·蔡林格及其同事是最早探索這種系統的人。

這些日益完善的工具使現實應用越來越近。現在已經證明了，穿越數十公里光纖的光子之間，以及衛星和地面接收站之間存在糾纏量子態。在很短的時間內，世界各地的研究人員發現了利用量子力學最強大特性的很多新方法。

第一次量子革命給予了我們電晶體和雷射。得益於操縱糾纏粒子系統的現代工具，我們現在正在進入一個新時代。

（翻譯：王佳）

安東·塞林格是中國科學院外籍院士，也是中國量子信息領軍人物潘建偉在奧地利留學時的博士生導師。他一直在積極推動國際交流與合作，對中國量子科技發展保持著關注和支持。2020年，安東·塞林格被授予「中國政府友誼獎」。

值得一提的是，諾貝爾獎授予量子信息科學，中國科學家也做出了重要貢獻。早在上世紀90年代，潘建偉就和導師塞林格一起開展量子信息實驗研究。諾貝爾獎新聞發布會和獲獎工作的官方介紹文件中，都大量引用了潘建偉及其團隊的成果與貢獻。例如，諾獎官方介紹中著重強調了量子隱形傳態、糾纏交換的首次實現等工作，而在這一系列工作中，潘建偉都起到了核心作用；諾獎新聞發布會上還重點展示了「墨子號」的工作，正是這些後續優秀工作的推動，量子信息從早期的夢想變為現實，量子信息先驅榮獲諾獎更眾望所歸。

量子信息科學是正在快速發展的新興學科。對於一個初生的孩子，他的力量，就是生長的力量。我們有理由期待，量子信息科學將給人們帶來更多驚喜，而中國科學家也將做出更重要的貢獻。