2022年诺贝尔物理学奖,一部分颁给了阿斯派克特、克劳泽,以表彰他们“用量子纠缠的光子做实验,证明贝尔不等式不成立”,另一部分颁给了蔡林格,以表彰他“在量子信息科学中的开拓性工作”。总的来说,今年的诺贝尔物理学奖颁给了量子纠缠。在最近的几十年中,诺贝尔物理学奖一直在为几个前沿领域轮流颁奖。有些年份颁给高能物理学,有些年份颁给凝聚态物理学,有些年份颁给天文学和宇宙学,有些年份颁给应用物理学,有些年份则颁给量子光学。今年的诺贝尔物理学奖算是颁给了量子光学,因为获奖的三位科学家都是量子光学专家。但是,往年的量子光学研究都是偏实验、偏应用的,跟量子理论的基本问题关系比较远。今年的诺贝尔物理学奖则不同。今年的获奖研究虽然都是量子光学实验,都具有巨大的应用前景,但它们同时也为量子理论中一个困扰了人们多年的基本问题,提供了明确的答案。因此,今年的诺贝尔物理学奖特别值得有求知欲的人关注。要想搞清楚诺奖研究说的是啥,我们先要说一说其中的关键词:“量子纠缠”。理解“量子纠缠”需要三个步骤。第一个步骤:理解什么是量子。简单来说,量子是一种具有二元性的物理现象。在量子出现之前,物理学家设想世界上的物质要么是以粒子形态存在的,要么是以波的形态存在的。粒子是点状的,一次只能占据一个位置,但波是散布在整个空间中的,而且一束波中存在很多不同的“波形”,是由许多“波形”叠加在一起的。量子理论告诉我们,所有物质既具有粒子性,又具有波动性。所有物质既占据一个位置,又是散布在整个空间中,是由许多“波形”叠加在一起形成的。这种逻辑看起来很矛盾,但是量子理论的数学推导和实验结果表明,这都是真的。举个例子,如果你人在北京,你就不可能同时在上海。但是在量子世界,假如一个粒子人在北京,它还可以同时在上海、广州、杭州等等。施展多重影分身术了属于是。第二个步骤:理解什么是量子纠缠。前面那个例子说的是一个粒子的量子状态。一个粒子不可能形成量子纠缠。形成量子纠缠至少得有2个粒子。现在就让我以2个粒子为例,说一说什么是量子纠缠。假设你是一个粒子,你对象是另一个粒子。你的状态是既在北京也在上海,你对象的状态也是既在北京也在上海。这时,你们二者形成的集体,其量子状态可能存在两种可能性。第一种可能是量子纠缠态。虽然你既在北京也在上海,你对象也是既在北京也在上海。但假如你在北京的时候,你对象一定在上海,或者你在上海的时候,你对象一定在北京。那么你和你对象处于的这种量子状态,就是量子纠缠态。这时,你会发现,你的状态和你对象的状态是“联动的”,我只要知道你们其中一个人的状态,就能100%确定另一个人的状态。第二种可能是无纠缠的量子状态。假如你在北京的时候,你对象既在北京也在上海,ta具体在哪儿我们并不确定。并且,你在上海的时候,你对象既在北京也在上海,ta具体在哪儿我们也不确定。这时,你会发现,你的状态和你对象的状态是“无关的”,即使我知道你们其中一个人的状态,我也完全无法确定另一个人的状态。这样的状态就是“无纠缠的”。总而言之,量子纠缠就是一种神奇的量子现象——两个(或多个)粒子的量子状态虽然都是既在这里又在那里,但是它们相互之间却形成了一种神秘的“联动”。这种神秘“联动”导致,无论这些粒子相距多远,只要你通过实验测量确定了其中一个粒子的状态,你就可以同时确定远在天边的另一个(或多个)粒子的状态。说得再通俗一点儿,量子纠缠就是粒子之间形成了一种类似“超光速心灵感应”的状态,只不过这种“超光速心灵感应”是完全遵守量子力学公式的。看到这儿,你可能觉得量子纠缠玄之又玄。是的,在物理学家提出量子纠缠之初,所有的人都觉得它是玄之又玄的。关于量子纠缠到底是怎么回事,物理学家分成了两派。一派认为,世界真的是存在这种玄妙的现象。粒子之间真的可以形成类似“超光速心灵感应”的状态。这一派的代表人物是量子力学的创始人之一玻尔。另一派则认为,以上说的都是障眼法。量子理论确实可以允许类似“超光速心灵感应”的状态,但这恰恰说明量子理论的发展还不成熟。量子理论可能是某种更高级理论的半成品状态。假如将来我们发现了更高级的理论,就会发现,这种类似“超光速心灵感应”的状态只是表面上成立,实际上并没有“超光速”也没有“心灵感应”,这一切就像我们在电视屏幕上看到的人物影像,电视盒子里并不是真的有人。这一派的代表人物是量子力学的创始人爱因斯坦。你可能会问,到底是波尔对,还是爱因斯坦对呢?在他们生活的年代,答案是不知道。因为当时并没有人能够真的把一对量子纠缠的粒子造出来。况且,就算当时有人能造出来,他们也只能研究“电视盒子”之外的影像,他们没有办法真的打开“电视盒子”,看看里面是不是真的有小人。又过了几十年,到了1960年代时,一位叫贝尔的物理学家想到了一个办法。他利用量子纠缠的公式,推导出了一个不等式,叫贝尔不等式。贝尔证明,假如爱因斯坦是对的,贝尔不等式就是成立的。假如我们通过实验测量得出,量子纠缠的粒子使得贝尔不等式成立,我们就可以证明,爱因斯坦是对的,玻尔是错的;量子纠缠是障眼法,是假的。1970年代末至1980年代初,前面两位诺奖得主阿斯派克特、克劳泽真的造出了处于量子纠缠的光子,并用它们开展了验证贝尔不等式的实验。结果证明,贝尔不等式不成立。这说明,爱因斯坦错的。我们不能说量子纠缠是障眼法。这就回答了关于量子理论,困扰物理学家几十年的一个基本问题。用物理学的黑话来说,叫量子(力学)理论的局域实在性问题。详情请看《给忙碌者的量子力学课》第6、7、8讲。当然,这个结果并不能说明玻尔是对的。因为这个结果还没有排除其他可能性。因此,这个结果并没有完全回答大家对量子理论的质疑。但它好歹给了我们一个答案,那就是爱因斯坦的理解是错误的。在我们这个年代,这已经是量子理论的一个惊天动地的成果了。从1950年代开始,诺贝尔奖就很少颁给与量子力学基本问题有关的研究了。这一方面是因为量子力学基本问题的研究高峰已经过去了。另一方面,人们都把注意力转移到如何应用量子力学,让它开花结果去了。在过去的几十年中,研究量子力学基本问题的科学家数量很少,成果很有限。假如一个博士生胆敢声称自己要研究量子力学基本问题,他很有可能被前辈告诫:盛宴已过。有资料说,克劳泽年轻时曾经对费曼说,他要用实验来检验贝尔不等式。结果,费曼激动得把他从办公室赶了出去。因此,我觉得本届诺贝尔物理学奖终于干了一件正事。它终于为一项颠覆了人们基本认知的量子理论的研究成果颁发了应有的荣誉。理解了本届诺奖的第一部分“用量子纠缠的光子做实验,证明贝尔不等式不成立”,我们也就很容易理解第二部分,“在量子信息科学中的开拓性工作”。简单来说,第二部分的获奖者蔡林格,也是一位坚持自己研究兴趣的物理学家。他的主要贡献有2点。第1点是他和团队首次制备了一种由3个粒子组成的特殊量子纠缠态——GHZ态。其中的Z就是蔡林格德语名字的首字母。这种GHZ态在量子计算中有重要的应用。第2点是,他和团队利用量子纠缠的粒子,首次实现了“量子离物传态”(又叫量子隐性传态)。通俗地讲,就是把A粒子所处的量子状态,传送到一定距离外的B粒子身上。这时,你会觉得A粒子消失了,而B粒子变成了A粒子。“量子离物传态”是一种量子力学独有的信息传输方式,它的成功实验让我们拥有了一种前所未有的信息传输手段。假如我们要将科幻电影中的“隔空传送”变成现实,那么唯一有可能实现的方法,就是利用“量子离物传态”。值得一提的是,第2点的研究论文是蔡林格团队在1997年时发表的。论文的第二作者是一位中国人,叫潘建伟。“量子离物传态”的技术如今也由墨子号量子科学实验卫星拓展到了千公里的距离上。总之,今年的诺贝尔物理学奖既是实验突破,又是理论突破;既有深刻的科学背景,又具有广泛的话题性。它必将在科学史上留下浓墨重彩的一笔。