2022诺贝尔物理学奖锁定量子技术基础,美法奥3学者共获殊荣

今年,诺贝尔物理学奖于10月4日颁发给Alain Aspect、John F. Clauser、Anton Zeilinger这3名各自以纠缠量子态进行开创性实验的科学家,他们的研究结果为量子消息技术的实验工具开发奠定了基础。

虽然物理学家解决的问题乍看之下往往与日常相去甚远──比如微小粒子或空间、时间之谜,但他们的研究实际上为许多科学实际应用奠定基础。

去年,诺贝尔物理学奖颁给Syukuro Manabe、Klaus Hasselmann、Giorgio Parisi这3名科学家,他们的研究工作增进了我们对气候变迁的理解。

今年,诺贝尔物理学奖得主为法国物理学家Alain Aspect、美国理论和实验物理学家John F. Clauser、以及奥地利量子论物理学家Anton Zeilinger,3人将评分约新台币3,000万奖金。

量子力学涉及大片研究领域,包含量子计算机、量子网络、量子加密通信等,而技术发展关键因素之一是理解量子力学如何允许2个或多个粒子以纠缠态存在:相互纠缠粒子只要其中一个发生变化,另一个粒子就会立刻呼应变化,无论它们相距多远。

纠缠粒子也可以视为往相反方向抛出的相反颜色球,在隐藏变量理论中,球已包含会显示什么颜色的隐藏消息,但量子力学表示,在有人看到球之前,它们都是灰色的,只有当其中一个球随机变成白色,则另一个才会被发现变成黑色。

而1960年代,科学家贝尔提出了原本想给量子力学致命一击的贝尔不等式(Bell inequalities),认为如果存在隐藏变量,则大测量量结果之间的相关性永远不会超过某个值,却随着设备越来越精良、实验次数越来越多,贝尔不等式反而成为证明量子力学的工具,因为贝尔不等式可以区分量子力学的不确定性或使用隐藏变量,实验表明自然界行为就如量子力学预测,球都是灰色的,没有任何秘密资讯,哪一个变成黑色、哪一个变成白色都是由几率决定。

纠缠光子对。(Source:诺贝尔奖官网)

John F. Clauser便进行了这实验:通过明显违反贝尔不等式来支持量子力学,说明量子力学不能被使用隐藏变量的理论取代。

Alain Aspect则开发了一种实验,通过一种激发原子的新方法,使它们以更高速率发射纠缠光子,且能够在在不同的设置之间切换,使系统不包含任何可能影响结果的消息。

Anton Zeilinger也对贝尔不等式进行了更多测试,通过将激光照在特殊晶体上创造纠缠光子对,并使用随机数在测量设置之间切换,其中一项实验使用遥远星系的信号来控制过滤器(filter)并确保信号不会相互影响。

这些完善的工具让实际量子力学应用变得越来越现实,世界各地研究人员在很短的时间内发现许多利用量子力学强大特性的新方法,引领人类进入新时代。

(首图来源:诺贝尔奖官网)