關于量子糾纏的故事

2022年10月4日下午，諾貝爾物理學獎頒給了法國科學家阿蘭?阿斯佩、美國科學家約翰?弗朗西斯?克勞澤以及奧地利科學家安東?塞林格。這三位科學家因通過光子糾纏實驗確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創(chuàng)量子信息科學而獲獎。

那么問題來了，量子糾纏（光子糾纏為量子糾纏的一種）是個啥？貝爾不等式又是個啥呢？且聽小編—一個不那么專業(yè)的理工博士—試著淺析一下。

關于量子糾纏的故事還得從玻爾和愛因斯坦關于量子力學本質(zhì)的爭論開始說起。

20世紀初，哥本哈根學派（玻爾、海森堡、泡利、玻恩等等）那幫人不是搞了個量子力學嘛，說微觀粒子的能量是離散的，而且微觀粒子還是概率分布的，粒子的狀態(tài)在我們觀察之前是沒有確定值的，只有測量的時候才會坍縮為一個確定值。

這一解釋直接讓大佬愛因斯坦無法接受。照玻爾的那種概率解釋，難道說你不看月亮，月亮就不存在嗎？兩人的爭論由此開始。簡單總結(jié)一下就是，玻爾說量子力學對，愛因斯坦說量子力學不對其實用不完備更合理，但是這么寫似乎更瑯瑯上口。

吵架吵了很多年，愛因斯坦終于在1935年祭出了自己的大招，聯(lián)合波多爾斯基和羅森在《物理評論》上聯(lián)合發(fā)表了一篇名為《能認為量子力學對物理世界的描述是完備的嗎?》的文章，這里面便提到了所謂的“量子糾纏”，當然“量子糾纏”的名字是后來由風流倜儻薛定諤起的。

第一篇就是愛因斯坦寫的量子糾纏，第二篇是玻爾回懟愛因斯坦的

兩篇論文題目甚至都一樣

比如說一個大粒子分裂成兩個完全一樣的小粒子，按照量子力學理論，測量之前兩個粒子的自旋應該同時處于不確定的狀態(tài)，但是一旦測量，比如說我們測量得到粒子1自旋向上，那么哪怕粒子2處于宇宙盡頭，它也會在瞬間變成自旋向下。

那么這里就存在一個問題，粒子2本該是處于疊加態(tài)的，它是如何瞬間知道粒子1被測量并擁有確定狀態(tài)的呢？要知道，愛因斯坦的狹義相對論可是規(guī)定信息傳輸?shù)乃俣炔荒艹^光速的，這不是屬于鬼魅般的超距作用嗎？

對此，愛因斯坦認為，兩個粒子在分開的時候，自旋就已經(jīng)擁有確定值，只不過里面存在一些變量我們不知道而已，也就是所謂的“隱變量”理論。 玻爾則堅決認為，兩個粒子在分開的時候，自旋就是同時向上和向下的，只有在我們測量的那一刻才擁有確定值。 這個爭論有點不講道理，因為沒法用實驗驗證。如果你在粒子分開的瞬間進行測量，疊加態(tài)就會坍縮，自旋就會獲得確定的值，導致你無法確定到底是愛因斯坦的說法正確，還是玻爾的理論合理。

既然強攻不成，那么我們能不能采取迂回的方式來解決這一爭論呢？

這時候，北愛爾蘭的物理學家貝爾站了出來，說：“可以！”

讓我們重新審視一下粒子的自旋。所謂自旋向上或者向下，完全是按照測量方向去定義的。比如說，一個粒子分裂了，在豎直方向上，如果我們測量粒子1得到的自旋方向向上，那么測量粒子2得到的必然就是方向向下。

但如果這個時候我們不按套路出牌，非要去測量粒子2沿水平方向的自旋，就會發(fā)現(xiàn)，沿水平方向，粒子2有50%的概率自旋向上，有50%的概率自旋向下。

事實上，如果粒子1的自旋方向向上，并且假設粒子1和粒子2的測量方向夾角為θ，貝爾經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，如果量子力學（玻爾）正確，那么粒子2同樣被測量得到自旋向上的概率為cos2(θ/2)，如果隱變量理論（愛因斯坦）正確，那么粒子2同樣被測量得到自旋向上的概率為1-θ/π（θ取弧度制）。 兩條曲線不一樣，貝爾微微一笑，這不就找到突破口了嗎？只要我們制造糾纏粒子對，改變測量方向的夾角，然后測量概率，描點，看看曲線到底符合哪個函數(shù)，不就齊活了嗎？ 不過吧，上面的思路雖然理論上可行，可糾纏的粒子對不是實驗室的溶液，想多少做多少，做出那一條曲線不知道要花多少錢多少時間。 貝爾也考慮到了這一點，于是便有了貝爾不等式。

其中Pxz表示的就是粒子沿x和z方向同時自旋向上或者向下的概率，Pzy表示的就是粒子沿z和y方向同時自旋向上或者向下的概率，Pxy表示的就是粒子沿x和y方向同時自旋向上或者向下的概率。

當然貝爾不等式不僅僅適用于粒子，它適用于我們生活中的方方面面。而且貝爾不等式在經(jīng)典世界中永遠成立，而在量子世界中則不成立。

這樣操作下來，我們就只需要制造三個糾纏量子對，一組測量x和z方向，一組測量z和y方向，一組測量x和y方向，多次測量獲得概率值Pxz，Pzy和Pxy，代入不等式就可以確認貝爾不等式是否成立。

阿蘭?阿斯佩于1982年發(fā)表在PhysicalReview Letters上的關于貝爾不等式實驗的論文

阿蘭?阿斯佩于1982年把自己關于糾纏光子對的實驗發(fā)表在了物理學頂刊Physical Review Letters上。結(jié)果自然不言而喻，貝爾不等式不成立的，也就是隱變量不存在，量子力學正確，否則我們今天的學生也就不需要被量子力學折磨了。

貝爾不等式對量子力學是個巨大考驗，量子力學不但經(jīng)受住了這一考驗，如今更是被認為是有史以來最精確的理論之一。 可惜，量子力學是如此反直覺，以至于到現(xiàn)在仍然沒有一個人能夠真正理解，甚至連物理學家都說“世界上沒有人真的懂得量子力學”。于是，小編對于自己學不懂量子力學的無知也就釋然了。

編輯：黃飛