“纠缠”也很美丽

量子技术是当今世界最难懂的技术之一,因为它起源于更难懂的量子科学。目前只有少数人才通晓的前沿量子科技,却逐渐成为推动人类文明进步的重要力量。因此,诺贝尔物理学奖评奖委员会特别青睐这个领域的研究。美国科学家约翰·克劳泽、法国科学家阿兰·阿斯佩和奥地利科学家安东·塞林格就是量子科技领域的大咖,他们用光学实验证明贝尔不等式不成立,并开创了量子信息科学。他们三人因在量子纠缠领域所作出的突出贡献,获得了2022年诺贝尔物理学奖。
贝尔不等式与量子力学的矛盾
1935年,阿尔伯特·爱因斯坦等人在一篇论文中提出,量子力学允许粒子之间存在某种奇特的关联,这就是“量子纠缠”。比如,如果在实验室中制造出一对具有量子纠缠特性的电子,那么它们的总角动量为零。量子纠缠理论超越常识的是,粒子可以远距离纠缠。也就是说,不论它们相隔多远,都能存在一定的关联。
当然,爱因斯坦并没有见过量子纠缠,他只是推算出微观粒子具有量子纠缠的特性。爱因斯坦甚至怀疑量子纠缠中的远距离作用,他认为不太可能憑空出现2个远距离纠缠状态的粒子,一定有一些未知的隐藏变量在推动这些远距离粒子出现纠缠的状态,这被称为“隐变量理论”。它隐藏的含义为量子力学是一门不完备的科学。
根据隐变量理论,英国科学家约翰·斯图尔特·贝尔于1964年提出了贝尔不等式。根据这个不等式,如果量子纠缠存在隐藏变量,那么大量的测量结果之间的相关性永远不会超过某个数值。如果贝尔不等式成立,就意味着隐变量理论也成立。要是能用实验证明贝尔不等式不成立,就表明量子力学的预言正确。几十年来,人们就把贝尔不等式成立与否作为判断量子力学与隐变量理论孰是孰非的试金石。

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本文刊登于《科学24小时》2023年1期
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