聊一聊2022諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：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(shí)間10月4日下午，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予科學(xué)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，建立了貝爾不等式的違反，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)”。

三位科學(xué)家使用糾纏量子態(tài)進(jìn)行了開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，在糾纏量子態(tài)中，即使兩個(gè)粒子分離，它們也表現(xiàn)得像一個(gè)單獨(dú)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(xué)院表示，他們的工作為量子技術(shù)的新時(shí)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(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問題。”——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席安德斯·伊爾貝克

 貝爾不等式的違反 

1964年，為了驗(yàn)證隱變量和量子力學(xué)誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)，貝爾設(shè)計(jì)了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。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(gè)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(qiáng)調(diào)的定域存在性的理論框架下，這個(gè)關(guān)聯(lián)具有一個(gè)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(xué)可以違背這一不等式，因?yàn)榱孔恿W(xué)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(gè)判據(jù)。如果沒有實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，貝爾不等式就沒有意義。

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

但這一實(shí)驗(yàn)存在一個(gè)嚴(yán)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(gè)新的裝置，并反復(fù)進(jìn)行了完善以確保系統(tǒng)里不含預(yù)先信息，補(bǔ)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(duì)貝爾不等式做了更多測(cè)試。

最終，科學(xué)家得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)確實(shí)得到了違背貝爾不等式的結(jié)果，量子力學(xué)是正確的！這三位科學(xué)家也因此分享了2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

 什么是量子糾纏 

關(guān)于上文所提及的量子糾纏態(tài)，從實(shí)踐的角度來說，量子糾纏所代表的，其實(shí)是一個(gè)巨大資源?？茖W(xué)家們對(duì)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(xué)里，當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨(dú)描述各個(gè)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(xué)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(yùn)動(dòng)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?yàn)槲覀冎赖慕^大多數(shù)量子其實(shí)是弦的某種振動(dòng)，而弦是由多個(gè)量子比特構(gòu)成，這樣，實(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)而已。

而相對(duì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都可以類比流體內(nèi)的各種運(yùn)動(dòng)。在超流體中，因?yàn)槔碚撋蠜]有能量損失，一個(gè)渦旋的邊界可以是無窮遠(yuǎn)，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(shí)是真空渦旋之間的相互影響。當(dāng)兩個(gè)粒子相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生量子糾纏，一個(gè)粒子發(fā)生的任何變化都會(huì)立即影響另一個(gè)粒子，而無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。因此有愛因斯坦“遠(yuǎn)距離的怪異動(dòng)作”的著名描述。

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

蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家保羅·安托萬(wàn)·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(dòng)。換句話說，它們被糾纏在了一起。

▲ 四個(gè)不同的相變下所捕獲光子的完整的四個(gè)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(chǎng)論看真空的物質(zhì)形態(tài)問題-2》一文，該文刊登在南陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（第4卷第12期2005年12月），由姚麗萍和黃金書兩位學(xué)者合寫。文中對(duì)“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(chǎng)。現(xiàn)將有關(guān)的段落摘出如下。

“現(xiàn)代的真空理論實(shí)質(zhì)上是量子理論。量子場(chǎng)是物質(zhì)的基本形態(tài)，它是既具有波動(dòng)性又具有微粒性的物質(zhì)客體，它具有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如激發(fā)態(tài)和基態(tài)。量子場(chǎng)激發(fā)態(tài)的出現(xiàn)代表實(shí)量子的產(chǎn)生，激發(fā)態(tài)的消失代表實(shí)量子的消失。實(shí)粒子的消失只是表明量子場(chǎng)的激發(fā)態(tài)消失了，而不是量子場(chǎng)這種客體消失了，量子場(chǎng)還存在，不過此時(shí)量子場(chǎng)處于能量最低的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是處于基態(tài)，人們把基態(tài)的量子場(chǎng)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(chǎng)。”

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(chǎng)，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(dòng)力學(xué)中的真空零點(diǎn)振蕩、真空漲落、真空極化等等……”

“關(guān)于量子電動(dòng)力學(xué)的精確實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)值與量子電動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算以非常高的精確度相符合。例如氫原子蘭姆能級(jí)移動(dòng)……”

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

真空負(fù)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(chǎng)沒有負(fù)能態(tài)，基態(tài)光子場(chǎng)的最低能態(tài)就是零，這正是《對(duì)量子糾纏即時(shí)性的討論》一文中，狹義相對(duì)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(chǎng)的不可觀察的“虛光子”的性質(zhì)。當(dāng)一個(gè)虛光子吸收一分能量，虛光子成為一個(gè)可觀察的以光速運(yùn)動(dòng)的光子，這就是量子場(chǎng)論所說的，能量使得光子量子場(chǎng)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(chǎng)論看真空的物質(zhì)形態(tài)問題-2》中寫道：“真空零點(diǎn)振蕩是量子場(chǎng)的各種振蕩模式在基態(tài)中不停地振蕩。”光子場(chǎng)的振蕩模式是電磁振蕩，那么基態(tài)光子場(chǎng)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?yàn)樗幱诨鶓B(tài)，作非光速運(yùn)動(dòng)，沒有能量。

虛光子作電磁振蕩是量子場(chǎng)論允許的，沒有能量而作非光速運(yùn)動(dòng)是相對(duì)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(yuǎn)距離的糾纏量子實(shí)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(duì)量子糾纏即時(shí)性的討論》中提出的觸發(fā)糾纏量子實(shí)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(chǎng)，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(shí)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(shí)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(huì)發(fā)生。

有關(guān)于量子力學(xué)與真空技術(shù)的深入探討，我們會(huì)在接下來發(fā)布《特邀論文丨相對(duì)論、量子力學(xué)與真空科學(xué)技術(shù)》，敬請(qǐng)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(shí)雜志；

[3] 《細(xì)思：史上量子糾纏的第一張照片》，作者：量子認(rèn)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(hào)：iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)，作者：iVacuum