量子力學(xué)現(xiàn)在已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信

量子力學(xué)(Quantum Mechanics)，為物理學(xué)理論，是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論。它與相對(duì)論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

19世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)舊有的經(jīng)典理論無(wú)法解釋微觀系統(tǒng)，于是經(jīng)由物理學(xué)家的努力，在20世紀(jì)初創(chuàng)立量子力學(xué)，解釋了這些現(xiàn)象。量子力學(xué)從根本上改變?nèi)祟悓?duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解。除了廣義相對(duì)論描寫的引力以外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力學(xué)的框架內(nèi)描述(量子場(chǎng)論)。

量子力學(xué)是描述微觀物質(zhì)的理論，與相對(duì)論一起被認(rèn)為是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱，許多物理學(xué)理論和科學(xué)如原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)以及其它相關(guān)的學(xué)科都是以量子力學(xué)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的。

量子力學(xué)是描寫原子和亞原子尺度的物理學(xué)理論 [1] 。該理論形成于20世紀(jì)初期，徹底改變了人們對(duì)物質(zhì)組成成分的認(rèn)識(shí)。微觀世界里，粒子不是臺(tái)球，而是嗡嗡跳躍的概率云，它們不只存在一個(gè)位置，也不會(huì)從點(diǎn)A通過(guò)一條單一路徑到達(dá)點(diǎn)B [1] 。根據(jù)量子理論，粒子的行為常常像波，用于描述粒子行為的“波函數(shù)”預(yù)測(cè)一個(gè)粒子可能的特性，諸如它的位置和速度，而非確定的特性 [1] 。物理學(xué)中有些怪異的概念，諸如糾纏和不確定性原理，就源于量子力學(xué) 。

19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)在描述微觀系統(tǒng)時(shí)的不足越來(lái)越明顯。量子力學(xué)是在20世紀(jì)初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫?qū)づ堇⒙芬住さ虏剂_意、馬克斯·玻恩、恩里科·費(fèi)米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛(ài)因斯坦、康普頓等一大批物理學(xué)家共同創(chuàng)立的。量子力學(xué)的發(fā)展革命性地改變了人們對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及其相互作用的認(rèn)識(shí)。量子力學(xué)得以解釋許多現(xiàn)象和預(yù)言新的、無(wú)法直接想象出來(lái)的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象后來(lái)也被非常精確的實(shí)驗(yàn)證明。除通過(guò)廣義相對(duì)論描寫的引力外，至今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學(xué)的框架內(nèi)描寫(量子場(chǎng)論)。

瑞典當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年10月4日11時(shí)45分(北京時(shí)間10月4日17時(shí)45分)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將2022年物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給法國(guó)物理學(xué)家Alain Aspect、美國(guó)物理學(xué)家John F。 Clauser、奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger以表彰“用糾纏光子驗(yàn)證了量子不遵循貝爾不等式，開(kāi)創(chuàng)了量子信息學(xué)”。

諾獎(jiǎng)委員會(huì)在其官方介紹中稱，量子力學(xué)現(xiàn)在已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席Anders Irb?ck說(shuō)：“越來(lái)越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問(wèn)題”。

北京計(jì)算科學(xué)研究中心教授薛鵬提前猜中了今年的獲獎(jiǎng)?wù)?，她向“返樸”表示，這三位獲獎(jiǎng)?wù)邔?shí)至名歸。下文是薛教授對(duì)今年獲獎(jiǎng)工作的科普介紹。

諾獎(jiǎng)委員會(huì)在其官方介紹中稱，量子力學(xué)現(xiàn)在已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)和安全的量子加密通信。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席Anders Irb?ck說(shuō)：“越來(lái)越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問(wèn)題”。

北京計(jì)算科學(xué)研究中心教授薛鵬提前猜中了今年的獲獎(jiǎng)?wù)?，她向“返樸”表示，這三位獲獎(jiǎng)?wù)邔?shí)至名歸。下文是薛教授對(duì)今年獲獎(jiǎng)工作的科普介紹。

在2010年，法國(guó)的阿蘭·艾斯佩特(Alain Aspect)、美國(guó)的約翰·柯羅瑟(John Clauser)、和奧地利的安東·吉林哲(Anton Zeilinger)三位物理學(xué)家“因其在量子物理學(xué)基礎(chǔ)上的基本概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)，特別是一系列日益復(fù)雜的貝爾不等式測(cè)試，而獲得沃爾夫獎(jiǎng)(Wolf Prize)”。

美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)旗下科普網(wǎng)站Inside Science于2019，2020，2021連續(xù)三年預(yù)測(cè)該三位物理學(xué)家獎(jiǎng)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為量子糾纏這種超距相互作用是不可思議的，違背了狹義相對(duì)論。與其在普林斯頓的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，就是著名的EPR佯謬。描述了A、B為自旋1/2的粒子，初始總自旋為零。假設(shè)粒子有兩種可能的自旋，分別是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋為 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持總體守恒，反之亦然。這時(shí)我們說(shuō)，這兩個(gè)粒子構(gòu)成了量子糾纏態(tài)。

今天獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的三位科學(xué)家——法國(guó)科學(xué)家阿蘭阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰克勞澤、奧地利科學(xué)家安東塞林格，他們通過(guò)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)展示了處于糾纏狀態(tài)的粒子的潛，這三位獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)實(shí)驗(yàn)工具的開(kāi)發(fā)，也為量子技術(shù)的新時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

你明白“糾纏”嗎

在所謂的“糾纏對(duì)”中，一個(gè)粒子發(fā)生的事情，會(huì)決定另一個(gè)粒子發(fā)生的事情(不管相距多遠(yuǎn))。這意味著什么?

量子學(xué)的基礎(chǔ)僅僅是一個(gè)論或哲學(xué)問(wèn)題。其與全世界正密集研發(fā)的、以利用單個(gè)粒子系統(tǒng)的特殊屬性來(lái)構(gòu)建的子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)測(cè)、子網(wǎng)絡(luò)以及子加密通信，都能息息相關(guān)。

以上應(yīng)用，均需依賴于子學(xué)如何允許兩個(gè)或多個(gè)粒子以共享狀態(tài)存在，甚至無(wú)論它們相隔千山萬(wàn)水，均能保持這一狀態(tài)。

這被稱為糾纏。

自從該論提出以來(lái)，它一直是子學(xué)中爭(zhēng)論最多的元素之一。

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦說(shuō)這是“幽靈般的超距作用”，而埃爾溫·薛定諤說(shuō)這是子學(xué)最重要的特征。

今年的獲獎(jiǎng)?wù)邆?，探索了這些糾纏的子態(tài)，他們的實(shí)驗(yàn)為基于量子信息的新技術(shù)掃清了障礙，為目前正在進(jìn)的子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。

兩對(duì)糾纏粒子從不同的來(lái)源發(fā)射。每對(duì)粒子中的一個(gè)粒子以一種特殊的方式相互糾纏而聚集在一起。然后，其他兩個(gè)粒子(圖中的1和4)也被糾纏在一起。通過(guò)這種方式，兩個(gè)從未接觸過(guò)的粒子可以糾纏在一起。

不斷解決漏洞

長(zhǎng)期以來(lái)存在的一個(gè)問(wèn)題是，相關(guān)性究竟是不是因?yàn)榧m纏對(duì)中的粒子包含隱藏變量。1960年代，約翰斯圖爾特貝爾提出了以他的名字命名的數(shù)學(xué)不等式。這說(shuō)明如果存在隱藏變量，則大量測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性，永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)某個(gè)值。然而，量子力學(xué)預(yù)測(cè)某種類型的實(shí)驗(yàn)將違反貝爾不等式，從而導(dǎo)致比其他方式可能產(chǎn)生的更強(qiáng)的相關(guān)性。