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10月4日 ， 2022年诺贝尔物理学奖公布 ， 奖项授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格 ， 奖励他们关于纠缠光子的实验 ， 奠定了贝尔不等式的违反 ， 也开创了量子信息科学 。
阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·蔡林格（右） 。 图片来源：诺贝尔奖官网
01
量子力学、量子态与量子纠缠
自上世纪二十年代以来 ， 量子力学成为整个微观物理学的基本理论框架 ， 并且取得了巨大的成功 。 在量子力学之前已经建立的物理学框架被称作经典物理 。 量子力学的数学工具并不比经典物理的更复杂 ， 但是量子力学的概念框架却与之截然不同 ， 以致于玻尔说：“任何不为量子理论所震撼的人都没有理解它” 。 在人类思想史上 ， 量子力学即使不是最重大的革命 ， 也是最重大的革命之一 。
什么是量子态？
量子力学的中心概念是量子态 。 顾名思义 ， “量子态”即“量子状态” 。 量子态并不是一个物理量 ， 而是描述一种概率分布 。 当测量量子系统的某个属性时 ， 量子态就以一定的概率随机变为明确具有这个属性的量子态之一 。
比如 ， 量子粒子与我们日常生活中肉眼可见的粒子（经典粒子）不一样 ， 量子粒子的位置由一个位置量子态描述 。 它可以确定处于一个位置 ， 也就是处于某个确定位置的量子态 。 但是一般来说 ， 位置量子态是具有不同的确定位置的量子态的叠加 。 测量量子粒子的位置时 ， 有一定的概率得到各种位置 ， 从而位置量子态塌缩为相应确定位置的量子态 。 这个概率等于“波函数”的大小的平方 。
再比如 ， 光有个内部性质叫偏振 ， 代表了电场振动方向 ， 它总是位于与光的传播方向垂直的平面上 。 光是由光子组成的 。 作为一种量子粒子 ， 每个光子有一个偏振量子态 ， 是对应两个互相垂直的方向的偏振量子态的叠加 。 测量光子的偏振时 ， 光子原来的偏振量子态以一定的概率变为这两个态之一 。 在测量仪器与光子原来的偏振量子态正好“匹配”的特殊情况下 ， 光子的偏振量子态不发生变化 。
本次诺贝尔物理学奖的获奖工作都是使用光子偏振 。
什么是量子纠缠？
量子纠缠是量子态的一种性质 。 一个量子系统可能由若干子系统构成 。 如果某子系统没有一个独立的量子态 ， 那么就说这个子系统与其他子系统之间存在量子纠缠 。 也就是说 ， 量子纠缠是由两个或两个以上的子系统构成的整体的量子态性质 。
还是以光子偏振为例 。 考虑两个光子a和b ， 二者可能相距很远 。 偏振是内部性质 ， 与空间距离无关 。 假设它们整体的偏振量子态是某个量子纠缠态 ， 它是两个态的叠加 。 其中一个态中 ， a光子处于水平偏振态 ， b光子也处于水平偏振态；在另一个态中 ， a光子处于竖直偏振态 ， b光子也处于竖直偏振态 。 但是在二者的叠加中 ， 每个光子都没有一个独立的偏振量子态 。 如果测量a光子偏振是水平还是竖直 ， 那么结果当然是二者之一 。 如果测量者知道这两个光子原来所处的量子纠缠态 ， 当a被测到是竖直的时候 ， 就可以预言b光子的量子态也塌缩为竖直；当a被测到是水平的时候 ， 就可以预言b光子的量子态也塌缩为水平 。
02
违背狭义相对论
爱因斯坦不相信量子纠缠
1935年 ， 爱因斯坦、波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）以所谓的定域实在论（即定域性和实在论共同成立）为前提假设 ， 讨论了相距很远的处于量子纠缠态的两个粒子 。 定域性是指 ， 在某处的测量不会影响到遥远的地方 。 这里的实在论是指 ， 观测量在被观测之前就已经确定了 。 爱因斯坦等人认为 ， 量子力学不完备 。 意思是 ， 除了量子力学中的量子态之外 ， 物理系统还存在额外的变量 ， 可以刻画系统的准确状态 。 后来人们将这些额外的变量称作隐变量 ， 它们代表了所谓的实在论 。 如果一个代替量子力学的理论包含隐变量 ， 它就叫作隐变量理论 。 如果这个理论还满足定域性 ， 就叫定域隐变量理论 ， 或者定域实在论 。 爱因斯坦等人讨论的例子是位置状态 。 1951年 ， Bohm首次使用更为简单的自旋状态（类似光子偏振）来讨论 。
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