2022年物理诺奖揭晓,量子通信之父原来是他,这公平吗?( 二 )


哥本哈根诠释的主要理论有:1、量子态只能用波函数完整表述 , 这种描述是概率性的 , 一个事件的概率是波函数的绝对值平方;2、在量子系统里无法同时确定一个粒子的位置和动量 , 具有不确定性原理;3、物质具有波粒二象性 , 即粒子行为或波动行为 , 在一个实验中只能展现出其中一种行为 , 不能同时展出两种行为;4、量子行为只出现在量子世界 。
为了驳斥“哥本哈根诠释” , 爱因斯坦、罗森、波多尔斯等科学家合作发表了一篇论文 , 叫《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》 , 三人名字头一个字母分别为E、P、R , 人们就把他们在论文中提出的问题称为“EPR佯谬” 。
爱因斯坦将自己的观点通俗描述为:上帝是不会掷骰子的!而波尔等哥本哈根派却不以为然:谁知道呢?

这篇论文被认为是掀起量子力学这场旷日持久的世纪之争的最早号角 , 作为量子力学最早奠基人之一的爱因斯坦 , 自然不是反对量子力学本身 , 只是试图通过一个思想实验 , 论证量子力学的不完备性 。 这篇论文引起了一大批物理学家们探讨量子力学的浓厚兴趣 , 客观上大大推动了量子力学研究的发展 , 也算一大贡献吧 。
先后响应“EPR佯谬”的著名科学家有薛定谔和贝尔 , 薛定谔设计了一只“猫”的思想实验 , 被称为薛定谔的猫 , 就是利用宏观现象讽刺量子力学测不准定律的荒谬;贝尔提出了贝尔不等式 , 就是为了证明量子力学的不完备 , 存在局域隐变量 。
后来的研究发展 , 没有给爱因斯坦等人“面子” , 最终的结论是他们错了 。 在长期的争论中 , “哥本哈根诠释”渐渐成为量子力学的正统理论 , 被世界所公认 。 但这种公认是渐渐形成的 , 并没有一个明确的判定 。
这次诺奖 , 实际上给了量子力学世纪之争一个明确的裁决量子纠缠 , 简单地说 , 就是在物质的微观世界有一种奇妙的现象 , 这种现象只发生在亚原子世界 , 不会在宏观世界出现 。 具体说 , 就是2个或一群粒子 , 彼此相互作用后就会产生一种集体特性 , 这时就无法单独描述某个粒子的性质 , 这就叫量子纠缠 。

这种纠缠着的粒子无论将其分开多远 , 都还保持着这种性质 , 根据量子力学的测不准定律 , 测量某个粒子时这个粒子的运动特性必然发生变化 , 而分开遥远的那个纠缠着的粒子也会瞬间同时发生变化 , 这种超越光速无数倍的瞬时传递 , 被爱因斯坦称为鬼魅般的超距作用 。
这种诡异的超距互动 , 被认为是量子理论中最具代表性的问题 , 从爱因斯坦等科学家1935年提出“EPR佯谬”开始 , 一直就有科学家在研究这种现象 , 因此可以说研究近百年了 , 不过一直没有什么突破 。
爱因斯坦1955年逝世后 , 这些争论依然还在继续 , 没有分出胜负 。 约翰·贝尔是站在爱因斯坦一边的 , 为了终结这个旷日持久的争论 , 贝尔设计了一个“贝尔不等式” , 如果成立 , 就说明量子世界是存在局域隐变量的 。
简单地说 , 贝尔不等式就是针对EPR思想实验 , 假设测量相互纠缠的两个粒子分别沿着不同轴向自旋 , 定性的给出其中差别 , 做实验应该测出这种差别 , 从而就能够得出量子力学是不完备的 , 其中存在局域隐变量 。

但所有的实验表明 , 贝尔不等式不成立 , 因此实际上是贝尔的理论终结了爱因斯坦派的质疑 , 反证了“哥本哈根派”的胜出 , 宣布了爱因斯坦派的落败 。 而这次获得物理诺奖的三位科学家 , 就是率先和最终验证了贝尔不等式不成立的重要人物 。
早在1972年 , 约翰·克劳泽就与另一位叫斯达特·弗里曼的科学家率先完成了贝尔不等式实验;1982年 , 阿兰·阿斯佩进一步验证了这个实验 。 他们得到的结果共同表明 , 量子纠缠完全符合量子力学的预测 , 而不符合定域性隐变量理论预测 。
但贝尔实验到这里并没有结束 , 实验存在着一些漏洞 , 阿斯佩的实验关闭了约翰实验的一些漏洞 , 但还是有一些细微漏洞影响了实验的精确性 , 无法得到科学界的广泛认同 。 最终 , 安东·蔡林格似乎最大限度解决了这些漏洞 , 让实验得到圆满验证 。
非但如此 , 安东·蔡林格还开始将纠缠的量子态用于实践 , 包括量子密集编码、隐形传态、纠缠交换、纠缠纯化、远距离量子通信、光量子计算和基于纠缠的成像等等 , 并在1997年首次实现量子隐形传态的实验 , 被科学界公认为量子信息实验研究的开山之作 。

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