聊一聊2022諾貝爾物理學獎：量子糾纏與真空的密切聯(lián)系

作者|iVacuum 來源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

北京時間10月4日下午，2022年諾貝爾物理學獎被授予科學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect），約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們“用糾纏光子進行的實驗，建立了貝爾不等式的違反，并開創(chuàng)了量子信息科學”。

三位科學家使用糾纏量子態(tài)進行了開創(chuàng)性的實驗，在糾纏量子態(tài)中，即使兩個粒子分離，它們也表現(xiàn)得像一個單獨的單元。他們的研究結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了障礙。瑞典皇家科學院表示，他們的工作為量子技術(shù)的新時代奠定了基礎(chǔ)。

“越來越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎?wù)邔m纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題。”——諾貝爾物理學獎委員會主席安德斯·伊爾貝克

 貝爾不等式的違反 

1964年，為了驗證隱變量和量子力學誰對誰錯，貝爾設(shè)計了一個理想實驗。他成功地將EPR（愛因斯坦和波多爾斯基、羅森共同提出了用三人首字母命名的EPR佯謬）中兩個粒子的相關(guān)性用關(guān)聯(lián)函數(shù)定量地描述了出來。

他發(fā)現(xiàn)，基于經(jīng)典理論，也就是在愛因斯坦所強調(diào)的定域存在性的理論框架下，這個關(guān)聯(lián)具有一個最大值，這就是大名鼎鼎的貝爾不等式。

▲ 貝爾不等式

如果隱變量理論是正確的，那么貝爾不等式就一定成立，但量子力學可以違背這一不等式，因為量子力學所預(yù)言的最大關(guān)聯(lián)值比隱變量理論要高。貝爾不等式固然重要，但它只是一個判據(jù)。如果沒有實驗的驗證，貝爾不等式就沒有意義。

在貝爾不等式的實驗驗證中，約翰·克勞澤提出了一個用糾纏態(tài)光子來檢驗貝爾不等式的可行的實驗方案，并在1972年獲得了與量子力學一致，違反貝爾不等式的結(jié)果。

但這一實驗存在一個嚴重漏洞：不能保證系統(tǒng)里不含預(yù)先的信息。阿蘭·阿斯佩建立了一個新的裝置，并反復(fù)進行了完善以確保系統(tǒng)里不含預(yù)先信息，補上了這一漏洞。而安東·塞林格研究了多粒子糾纏系統(tǒng)，并對貝爾不等式做了更多測試。

最終，科學家得出結(jié)論：實驗確實得到了違背貝爾不等式的結(jié)果，量子力學是正確的！這三位科學家也因此分享了2022年的諾貝爾物理學獎。

 什么是量子糾纏 

關(guān)于上文所提及的量子糾纏態(tài)，從實踐的角度來說，量子糾纏所代表的，其實是一個巨大資源?？茖W家們對量子糾纏漏洞的不滿，正源于每一階段可應(yīng)用范圍的不夠。那么如何理解量子糾纏呢？

在量子力學里，當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，則稱這現(xiàn)象為量子纏結(jié)或量子糾纏（quantum entanglement）。量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學里，找不到類似的現(xiàn)象。

要了解量子糾纏，首先要知道量子和量子的基本單元——量子比特。

按照超流體真空論，可以把量子理解為一種超流體性質(zhì)的真空的一種運動狀態(tài)。由于流體內(nèi)部渦旋常常表現(xiàn)為一種柱狀結(jié)構(gòu)，所以很可能我們通常理解的微觀量子并不是球形結(jié)構(gòu)，而是柱狀結(jié)構(gòu)。因為我們知道的絕大多數(shù)量子其實是弦的某種振動，而弦是由多個量子比特構(gòu)成，這樣，實際上量子比特就是真空渦旋，本身就是真空的一部分，是真空的某種運動狀態(tài)而已。

而相對論是一種適用于真空渦旋（自旋量子）的理論。在超流體性質(zhì)的真空中，除了真空渦旋，還有其他運動狀態(tài)，都可以類比流體內(nèi)的各種運動。在超流體中，因為理論上沒有能量損失，一個渦旋的邊界可以是無窮遠，這或許可以很好的解釋量子糾纏的非局域性。

因此，量子糾纏其實是真空渦旋之間的相互影響。當兩個粒子相連時，就會發(fā)生量子糾纏，一個粒子發(fā)生的任何變化都會立即影響另一個粒子，而無論它們之間的距離有多遠。因此有愛因斯坦“遠距離的怪異動作”的著名描述。

▲ 兩個光粒子之間的糾纏：他們正在互動，并在一小段時間內(nèi)共享系統(tǒng)狀態(tài)

蘇格蘭格拉斯哥大學的物理學家保羅·安托萬·莫羅（Paul-Antoine Moreau）于2019年7月捕獲的驚人圖像，是有史以來第一張量子糾纏的照片。盡管它們被分割，但它們都以相同的方式移動。換句話說，它們被糾纏在了一起。

▲ 四個不同的相變下所捕獲光子的完整的四個圖像

 量子糾纏與真空 

以下關(guān)于真空的論述引自《從量子場論看真空的物質(zhì)形態(tài)問題-2》一文，該文刊登在南陽師范學院學報（第4卷第12期2005年12月），由姚麗萍和黃金書兩位學者合寫。文中對“真空是什么”的問題回答得十分明確：真空是物質(zhì)，是基態(tài)量子場。現(xiàn)將有關(guān)的段落摘出如下。

“現(xiàn)代的真空理論實質(zhì)上是量子理論。量子場是物質(zhì)的基本形態(tài)，它是既具有波動性又具有微粒性的物質(zhì)客體，它具有多種運動狀態(tài)，如激發(fā)態(tài)和基態(tài)。量子場激發(fā)態(tài)的出現(xiàn)代表實量子的產(chǎn)生，激發(fā)態(tài)的消失代表實量子的消失。實粒子的消失只是表明量子場的激發(fā)態(tài)消失了，而不是量子場這種客體消失了，量子場還存在，不過此時量子場處于能量最低的運動狀態(tài)，也就是處于基態(tài)，人們把基態(tài)的量子場稱為“真空”。真空不空，真空本身就是一種特殊的物質(zhì)，即基態(tài)的量子場。”

真空具有看不見、摸不著的形態(tài)，然而真空不是“虛無”，真空是作為一種物質(zhì)而存在的。

“真空就是基態(tài)的量子場，因而真空和其他形態(tài)的物質(zhì)一樣可以具有各種各樣的物理性質(zhì)，如量子電動力學中的真空零點振蕩、真空漲落、真空極化等等……”

“關(guān)于量子電動力學的精確實驗，不但觀察到真空漲落和真空極化所導(dǎo)致的種種物理效應(yīng)，而且得到的實驗值與量子電動力學的理論計算以非常高的精確度相符合。例如氫原子蘭姆能級移動……”

基態(tài)量子場有多種物質(zhì)成分，即有多種形態(tài)的基態(tài)量子場，比如基態(tài)電子場，基態(tài)質(zhì)子場，基態(tài)光子場等等。量子電子場的基態(tài)是量子場處于最低能量狀態(tài)，最低能量等于多少，人們并沒有共識。但最低能態(tài)的存在，就避免了電子場激發(fā)態(tài)消失后，電子向負能態(tài)無止境地掉下去成為一架永動機。

真空負能態(tài)電子海的描述雖然難以接受，但讓狄拉克成功預(yù)言反電子的存在。而光子的反粒子就是它自己，因此基態(tài)光子場沒有負能態(tài)，基態(tài)光子場的最低能態(tài)就是零，這正是《對量子糾纏即時性的討論》一文中，狹義相對論推導(dǎo)的結(jié)果：靜止質(zhì)量等于零的粒子在非光速狀態(tài)下，能量和質(zhì)量等于零，也是構(gòu)成基態(tài)光子場的不可觀察的“虛光子”的性質(zhì)。當一個虛光子吸收一分能量，虛光子成為一個可觀察的以光速運動的光子，這就是量子場論所說的，能量使得光子量子場從基態(tài)（真空）躍遷為激發(fā)態(tài)的表述。

那么虛光子能否攜帶信息呢？《從量子場論看真空的物質(zhì)形態(tài)問題-2》中寫道：“真空零點振蕩是量子場的各種振蕩模式在基態(tài)中不停地振蕩。”光子場的振蕩模式是電磁振蕩，那么基態(tài)光子場的振蕩模式就是電磁振蕩，也即是說，虛光子也不停地作電磁振蕩，既然虛光子作電磁振蕩就說明它可以攜帶相應(yīng)的信息，之所以不可觀察是因為它處于基態(tài)，作非光速運動，沒有能量。

虛光子作電磁振蕩是量子場論允許的，沒有能量而作非光速運動是相對論所制約的，如果吸收了能量就就成為可觀察的光子。真空存在作電磁振蕩的超光速的虛光子，虛光子的存在就為遠距離的糾纏量子實現(xiàn)糾纏關(guān)系提供了依據(jù)，也就是愛因斯坦在疑惑中提出的鬼魅般的物質(zhì)，是《對量子糾纏即時性的討論》中提出的觸發(fā)糾纏量子實現(xiàn)糾纏關(guān)系的超光速使者。

因此，真空不是沒有物質(zhì)的虛無空間。真空是一種物質(zhì)，是基態(tài)量子場，雖然這種物質(zhì)的形態(tài)的表現(xiàn)是看不見、摸不著，但真空是作為一種特殊形態(tài)的物質(zhì)而實在地存在著，真空與物質(zhì)粒子作用的物理效應(yīng)是可以觀察的，而真空與糾纏量子作用的物理效應(yīng)就是實現(xiàn)糾纏關(guān)系。如果糾纏量子之間隔著的是虛無的空間，量子糾纏不會發(fā)生。

有關(guān)于量子力學與真空技術(shù)的深入探討，我們會在接下來發(fā)布《特邀論文丨相對論、量子力學與真空科學技術(shù)》，敬請期待。

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[1] 《如何理解量子糾纏？真空渦旋之間的相互作用》，作者：探索貓；

[2] 《貝爾不等式被推翻，信息就能超光速傳遞了嗎？》，作者：現(xiàn)代物理知識雜志；

[3] 《細思：史上量子糾纏的第一張照片》，作者：量子認知；

[4] 《量子糾纏與真空的不可分割的關(guān)系》，作者：袁賀滔。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum