物理学基石量子力学领域再得诺奖:量子纠缠和贝尔不等式!


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物理学基石量子力学领域再得诺奖:量子纠缠和贝尔不等式!




今年的物理诺奖颁发给了阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格 , 以表彰他们“用纠缠光子进行的实验建立了贝尔不等式的违反并开创了量子信息科学” 。 这也是时隔多年再次有量子领域相关的研究获奖 。

诺贝尔物理学奖委员会主席安德斯·伊尔贝克在致辞中说到“越来越明显的是一种新的量子技术正在出现 , 我们可以看到 , 获奖者对纠缠态的研究非常重要甚至超越了解释量子力学的基本问题 。 ”

为何他对量子纠缠相关研究的评价如此之高呢?
我认为主要有两方面的原因 , 第一是量子纠缠的存在彻底摧毁了爱因斯坦的定域实在论为量子力学的发展铺平了道路 , 也使我们距离世界的底层逻辑又近了一步;第二是相较于那些对量子力学强行进行解释的理论 , 量子纠缠是一个完全可以被应用的领域并且已经开始应用了 。
我国的量子科学实验卫星“墨子号”早在2016年就发射升空 , 由潘建伟教授领衔的科研团队实现了千公里级星地双向量子纠缠分发 , 大大推动了大尺度量子通信实验研究也让中国的量子信息技术始终走在世界的第一梯队 。

值得一提的是诺奖委员会提到了安东·塞林格的四篇量子通信实验文章 , 而潘建伟正是其中两篇文章的第一作者、两篇文章的第二作者 , 此外 , 诺奖委员会还提了另外三篇文章 , 而这三篇文章都是中国科学家独立开展的研究工作 , 所以潘建伟不仅是加入了塞林格的研究团队也是量子信息物理学这个领域的开创者之一 。
接下来简单解释几个热度比较高的问题:
一、爱因斯坦的相对论被推翻了吗?
显然是没有的 , 量子纠缠虽然远远超过光速但是因为它不能传递信息因此并不违背狭义相对论 , 贝尔不等式的违反只是否定了爱因斯坦的定域实在论 。

二、量子纠缠为什么不能传递信息?
这是因为信息的最小单位是比特 , 需要两个系统状态 , 传递信息必须传输明确定义的至少两个状态中的一个 , 而量子纠缠的两个粒子是一个量子波函数 , 对一个量子波函数只能做一次测量 , 它就坍缩了 , 所以你从纠缠态中只能得到一个状态 , 而一个状态没有信息自然也就传递不了信息 。

三、为什么这次诺奖不发给贝尔?
这是因为诺奖只颁发给在世的科学家 , 而贝尔不等式的提出者约翰·斯图尔特·贝尔在1990年因为一场突发的脑溢血去世 , 享年62岁 , 如果不是因为这样的意外而去世他大概率是会获奖的 , 而且这个奖应该不会等到2022年才发 。

四、能不能做一个胎教版的贝尔不等式科普?
许多人表示 , 贝尔不等式实在是难以理解 。 所以我就找找了一个更简单的例子来解释 , 这个例子很多人讲过 , 但最早的出处已经找不到了 。
比如说今天去泡酒吧发现这里的人有三种特点“男或女”“胖或瘦”“红衣或绿衣” , 所有人都是这三种特点的随机组合比如:红胖男、绿瘦女 , 接下来想象这样一个不等式:瘦男的数量加上红胖人的数量总是大于等于红男的数量 , 把三种属性化成ABC 。 比如男是A那么女就是非A , 这就是一个最简单的红男绿 。
显然 , 这个不等式在经典体系下是严格成立的 , 只有应用了量子逻辑之后它才有可能被违反 。
【物理学基石量子力学领域再得诺奖:量子纠缠和贝尔不等式!】也就是说 , 当人不在确定的男或女而是处于一种即是男又是女的叠加态 , 或是即使胖子又是瘦子的叠加态 , 而且这些叠加态还相互纠缠时贝尔不等式就会被违背 , 而这次诺奖颁发给的三位大佬正式通过实验证实了的确存在这样的纠缠的量子系统 。
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