违反贝尔不等式（中科大：实现1公里量子纠缠传输，量子通信又迈出了重要的一步）

本文目录

• 中科大：实现1公里量子纠缠传输，量子通信又迈出了重要的一步
• 今年诺贝尔物理学奖意义
• 量子纠缠真的能超光速通信吗会违反爱因斯坦的狭义相对论吗
• 诺奖证明了爱因斯坦存在的部分错误
• 贝尔不等式的影响
• 2022诺贝尔物理学奖获奖原因

中科大：实现1公里量子纠缠传输，量子通信又迈出了重要的一步

由中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿教授及其合作者领导的研究团队，首次实现了高维（三维）轨道角动量纠缠在1公里少模光纤上分发传输，研究成果发表在《光学》期刊上。增加量子通信中的信道容量和抗噪声干扰是在多能级系统中编码量子信息的一个强大实用动机。从基础角度看，高维纠缠表现出更复杂的结构和更强的非经典关联。采用主动稳定相位预补偿技术，成功地将三维OAM纠缠光子对中的一个光子通过光纤传输。通过测量，中科大研究人员能够通过保真度为71%的三维最大纠缠态(MES)和违反Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu(CGLMP)不等式来证明三维纠缠。此外，还证明了高维量子纠缠通过违反广义贝尔不等式而在传输中幸存下来，获得了~3个标准差的违反。研究表明：在预补偿情况下，保留波前是可能的，这可能会使光纤之后的进一步信息处理成为可能，该方法理论上可以推广到更高的OAM维数和更长距离。其研究是在光子横向空间模中分发传输高维纠缠的重要一步，在未来，研究人员还希望结合关于利用高维进行噪声弹性的结果，这项研究将推动对涉及通过光纤进行长距离高维量子通信新型协议的进一步实验研究。高维纠缠在量子信息处理中显示出其在增加信道容量和抗噪声方面的潜力。然而，分发高维纠缠是一项具有挑战性的任务，对其应用施加了严格的限制。本研究首次实现了三维轨道角动量(OAM)通过1公里长的少模光纤纠缠分发传输，并采用主动稳定相位预补偿技术，成功地将三维OAM纠缠光子对中的一个光子通过光纤传输。分布式OAM纠缠态相对于三维最大纠缠态(MES)仍表现出很高的保真度。此外，研究还证明了高维量子纠缠通过违反贝尔不等式而得以幸存下来，违反∼3标准偏差的经典极限，3=2.12±0.0 4，其方法理论上可以推广到更高OAM维数和长距离，同时研究结果为未来基于OAM高维远距离量子通信迈出了重要的一步！

今年诺贝尔物理学奖意义

2022年的诺贝尔物理学奖已经正式揭晓了。得奖的是三位实验物理学家：法国的阿斯派克特、美国的克劳瑟和奥地利的塞林格。获奖的理由是“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。我很高兴啊，因为这一次我猜对了，我在今年的诺奖揭晓之前曾经做了一次音频节目，讲的就是诺奖风向标。这三位科学家在2010年就曾经获得过沃尔夫奖，这也是诺奖风向标之一，所以我猜他们有可能会获奖。量子纠缠与贝尔不等式有关量子纠缠这档子事，最早可以推回到1935年。爱因斯坦和波多尔斯基以及罗森三个人合写了一篇论文，提出了EPR佯谬。E代表爱因斯坦，P代表波多尔斯基，R代表罗森。当时物理学界分了两大派，一派是玻尔为首的哥本哈根学派，另一派就是爱因斯坦和薛定谔为首的反对派。爱因斯坦和玻尔吵架，始终也没吵赢过。他主要是对量子的叠加态这个概念很不爽。就是为了给叠加态这个概念找别扭，才专门提出了这个EPR佯谬。薛定谔也对叠加态很不爽，所以，他才设计了那个著名的“虐猫事件”。一只猫可不可能既是死的又是活的，处于死与活的叠加态？毛病就出在这个叠加态上。叠加态塌缩更离谱了，难道你一观察，猫的叠加态就瞬间塌缩，变成了决定性的，要么死，要么活？你这个观察者这眼光也太厉害了吧。所以，后来薛定谔在看到爱因斯坦的EPR论文以后，一个词脱口而出——量子纠缠。这个概念就是这么来的。有关这个理论，我们不妨做个简化版的描述。你可以设想这样一个过程：一台机器会发射不同颜色的小球。如果爱丽丝接到一个白色的球，对面的鲍勃一定会接到一个黑色的球，反正是这两个球的颜色总是相反的。玻姆提出了一个隐变量理论。如果按照隐变量的理论，这两个球在发射出来之前就已经决定了。这个观念很符合大家的一般认知。但是，如果按照叠加态的说法，这两个球在发射出来以后，一直是处在叠加态。直到爱丽丝观察到这个小球A的那一刻，小球才突然从叠加态随机塌缩成白色。同时，就像是心灵感应一般，对面的那个小球B也必须保持和A状态相反。所以B也突然从叠加态塌缩成了黑色，不管距离多远，哪怕在宇宙尽头，也得立马跟着变过来。爱因斯坦认为，这种鬼魅般的超距作用是不可能的。但是，我们仅从观察上无法区分到底发生了什么。到底存不存在鬼魅般的超距作用，到底存不存在隐变量，这就成了一个悬案。时间长了，这也就变成了扯不出答案的哲学问题了。其实物理学家惠勒很早就提出了正负电子相互泯灭，会放出一对光子，这一对光子应该是相互纠缠的。1948年，哥伦比亚大学吴建雄和萨科诺夫成功地做出了这个实验，这是人类第一次搞出相互纠缠的粒子。但是那时候搞出来的纠缠粒子都不太稳定，没有多少实用性。图：吴健雄后来嘛，大家注意力都不在这里，大家都在鼓捣对撞机呢。一直到了1964年，物理学家贝尔才给出了一个验证方法，这就是所谓的“贝尔不等式”。这就使得扯不清的哲学问题再一次变成了实验物理的问题。克劳瑟贝尔提出他的不等式以后，并没有太多的人关心。但是，有一个人对这事儿特别留意，他就是这一次的诺奖得主克劳瑟。前面铺垫太长了，到现在主角才出来。克劳瑟当时在加州理工，他就跟著名物理学家费曼提出了自己的想法，要做实验来验证贝尔不等式，结果费曼蹦起来就把他从办公室给扔出去了。这是他自己后来回忆的，不是我瞎说。后来克劳瑟去了哥伦比亚大学，因为哥伦比亚大学搞理论的有李政道，搞实验的有吴健雄。这个环境好啊，你随便挑啊。克劳瑟去了以后就跟吴健雄实验室的人打听，当年他们如何做出纠缠粒子的。这都过去20年了谁还想得起来呢？但是，克劳瑟也知道了，当年他们做出的纠缠的粒子很不稳定，没法用来做其他实验。反正，当时克劳瑟痴迷于研究如何验证贝尔不等式，自己的主要工作做得并不好。结合昨天我们讲到的帕博（2022年诺贝尔生理学或医学奖得主），似乎这些未来的诺奖得主都得从不务正业开始。克劳瑟后来成了激光大神汤斯的手下，汤斯是第一个在微波频段实现受激辐射的人，其实就是频率在微波波段的激光。汤斯这个老板还是很开明的，他允许克劳瑟花一半的时间研究贝尔定理，这就是合法的不务正业嘛。图：汤斯没有汤斯的支持，克劳瑟很难取得后面的成果。克劳瑟与其他人一起改进了贝尔不等式，变得比较容易实验。而且他们还改进了试验方法。他们找到了一种新的方法来产生纠缠的光子。就是用紫外线来照射钙原子，有一定概率会产生一对纠缠的光子，一个是551纳米的绿光，另一个是423纳米的蓝光，颜色不一样。但是这个实验依然很难搞，克劳瑟和小伙伴们累计试验了200多个小时。制备纠缠光子对非常困难，大概一百万光子里只有一对纠缠光子，比率太低了。在1972年，他们终于公布了结果，最后的结果不支持隐变量理论，实验结果违反了贝尔不等式。当然，这个实验并不是没有漏洞的，所以还是不能一锤定音。真正要取得下一个进展，还要等到10年以后。阿斯派克特提出贝尔不等式的那个贝尔本人一直在欧洲核子研究组织工作。这一天，有个学生开着车兴冲冲地从巴黎赶来找贝尔。这家伙是贝尔的粉丝，也在惦记着做贝尔实验。可贝尔不认识他，来的这个人自我介绍：我叫阿斯派克特。大家别急哦，第二位主角登场啦。这个阿斯派克特是法国人，他去喀麦隆当了3年的志愿者，上非洲搞扶贫去了。在扶贫期间，他看了好多有关量子力学的书籍，对量子纠缠和EPR特别感兴趣。做完了志愿工作，他立马拎包回了巴黎，一高兴就考上了巴黎大学的物理学博士生。你看人家的水平啊，要考上就考上了。这个阿斯派克特也跟量子纠缠死磕上了。他也知道克劳瑟他们做的贝尔实验，他要做的第一步就是重复克劳瑟的实验。他改用激光激励钙原子，激光的效率非常高，做出来的效果比当年的克劳瑟高了好几倍，实验结果是大幅度偏离了贝尔不等式。图：当时的实验室第二步就需要利用双通道的方法来提高光子的利用率，减少前人实验中的所谓“侦测漏洞”。这个实验也大获成功，最后以40倍于误差范围的偏离，违背了贝尔不等式。这个效果比上次还要好得多。第三步，他搞定了延迟决定实验，这个主意还是贝尔出的。所谓的延迟决定实验，就是要彻底断绝两个光子之间暗通消息的可能性。为什么纠缠光子在通过检验的时候，偏振方向总是相互垂直的呢？到底是因为鬼魅般的纠缠作用，还是光在用什么我们不知道的办法暗通消息？那好啊，我们等着光子飞出来，快要到检验器门口了，突然改变检验器的偏振角度。消息最快不超过光速。偏振角度切换极快，这时候两个光子相距13米，无论如何来不及互相通消息了。这样做出来的实验漏洞更少。阿斯派克特团队最后获得的结果，依然是大幅度偏离了贝尔不等式，基本可以认为爱因斯坦是彻底错了。但是，你非要鸡蛋里挑骨头，漏洞总是有的。你用来控制检验器偏振方向的那个随机数发生器，是不是真随机呢？这就轮到第三位主角登场了。安东·塞林格安东·塞林格利用遥远星系发出的信号作为控制信号。这可是真随机，而且这个随机数发生器太远了，实在是没机会参与作弊。结果依然是违反了贝尔不等式，漏洞也比以前更少了。安东·塞林格专注的领域是在量子纠缠，这是贝尔实验的基础。他对多光子纠缠及量子传输做出了开创性的贡献。这种技术不但对检验量子力学的基本原理有很大的用处，而且还对量子信息发展提供了很大的助力，无论是量子通信还是量子计算都是离不开量子纠缠的。要是没有量子纠缠技术，量子计算机相对于经典计算机就体现不出优势了。塞林格最重要的贡献是在1997年实现了量子隐形传态。潘建伟院士当时是他的研究生，对这篇论文也有非常重要的贡献。量子隐形传态到底是什么意思呢？打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过隐形传态，我们让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色。其实，我们完全不需要知道A最初是什么颜色。无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。当然，说起来简单，做起来复杂。要让远方的B跟着起变化，就必须借助和B纠缠的粒子C。这个C留在家里，和A距离很近，但是B必须传送到足够远的地方才有实用意义。和5米开外的人通信，喊一嗓子就够了，用不着量子通信。所以，先要弄出一对纠缠光子。把一个光子发送到远方，这是其中非常重要的一步。一开始塞林格他们传输的距离很短，后来他们把纠缠的光子发过了多瑙河，实现了跨越多瑙河的隐形传态。再下一步是实现了非洲加纳利群岛各个岛屿之间的量子隐形传态，距离就拉伸到了上百千米。最夸张的就是利用墨子号卫星实现高达上千公里的量子纠缠。当然啦，这是我们中国人的贡献。在诺奖揭晓仪式的讲解之中，还特别提到了这个成就。结语1997年实现的是单个光子的单个自由度的量子隐形传态，现在要实现的是单个光子的多个自由度的量子隐形传态。完整意义的量子隐形传态，应该说是2015年才由潘建伟院士团队实现的，现在我们才是这方面的领军者。不管怎么说，克劳瑟、阿斯派克特和塞林格能够获得2022年的诺贝尔奖，就是国际科学界对他们巨大成就的认可。开创者和奠基者完成的是从0到1的突破。同时，我们又一次发现，其实我们中国人也深度参与其中。从0.5到1的这部分，我们有参与。从1到100这段路还没走完，现在看，我们也是领先的。所以，我想再次重申我的观点，尽管我们还没达到前三名的水平，还不能站上领奖台。但是，我们也有优秀的科技人才在向这个水平靠近，他们就潜伏在台下，可能是第四名、第五名也说不定哦。未来一定有希望站上领奖台，对此，我们有信心，有耐心。

量子纠缠真的能超光速通信吗会违反爱因斯坦的狭义相对论吗

量子纠缠是根据爱因斯坦为了反驳玻尔为首的哥本哈根学派的量子力学解释而提出的一个称为EPR悖论（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）设计的思想实验。即爱因斯坦、波多尔斯基、罗森悖论。

三人于1935年5月在《物理评论》上联名发表的名为《可以认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，对量子力学提出强力的质疑。

爱因斯坦等人根据量子力学设计了精巧的实验，通过高能光子照射特殊晶体，使特殊晶体的外层电子跃迁两个能级，然后在回落时放出一对低能光子（每回落一个能级放出一个）基于守恒定律，这放出的一对光子的量子态存在某些关联，比如偏振。

根据哥本哈根学派的解释，这对量子态（微观粒子的状态的统称）存在关联的光子在被测量到之前，量子态都是不确定的。那么问题来了，假如我通过光路把这两个光子分开两个相反的方向发射到距离很远的两个地方，然后同时进行测量会怎么样呢？

如果根据哥本哈根学派的解释，情况就很有趣了，由于两个光子在被测量到之前，量子态是不确定的，直到其中一个被测量后，测量到的某个状态就被确定了，而由于这对光子的量子态存在关联，这意味着一个光子的状态被确定的同时，另一个光子的对应量子态也被同时确定了！然而问题来了，根据守恒，光子对的量子态必定是同时确定的，然而前面我们已经把它们分离很远了，它们之间通信是需要时间的，那么另一个光子是怎么得到首先被测量的光子的状态信息，从而坍缩到对应的状态的呢？

很显然这种关联坍缩产生超光速信息传递了，这就违反狭义相对论的信息传递不能超光速的基本定律了，而狭义相对论已经被广泛接受，自然没有人愿意挑战它的正确性，包括哥本哈根学派的科学家。因此爱因斯坦认为，量子力学是不完备的，肯定在哪里存在问题或未知因素。玻尔等人看到这篇质疑的论文一定吓得不轻。

不过爱因斯坦在提出这个悖论以后也同时给出了自己的经典解释：两个光子的状态在产生的那一刻就确定了，也就是在电子能级回落释放出它们的那一刻，它们的状态已经确定，之后你即使把它们分隔到100亿光年再测量，都不影响它已有的量子态，它们之间也根本无需互相沟通该如何坍缩，因为一开始就已经确定了。这样，悖论也就不存在了。

玻尔当然不愿意放弃他的哥本哈根诠释，他超凡的洞察力下很快就找到了问题的所在。他指出：这对光子在被测量前并不是两个光子，而是一个整体，是它，不是它们，它在被测量到之前由一个波函数描述，并不存在两个被分离开的波函数（量子力学里描述微观粒子状态的函数，在量子力学里，微观粒子被测量之前只能以波函数来描述），直到它被测量到之前，它都只有一个波函数。

玻尔的这样解释精妙无比，与哥本哈根学派的量子力学解释一脉相承——既然被测量前并没有确定的状态，那你为什么认为它有两个波函数？这不是耍流氓吗……

在玻尔的解释里，光子对的状态是在测量到其中一个后才确定的，因此，波函数坍缩（光子从不确定态变成某一确定态）只发生在测量的时候，而此前这个系统（光子对）处于所有可能的叠加态。测量使这个系统全空间坍缩了……没错，全空间坍缩，与距离无关，也就没有所谓的超光速传递信息了。这其实与单个光子的全空间坍缩是一样一样的，即使是一个光子，它的波函数弥漫到整个空间的所有可能位置，然而一旦测量到，它就只在一个位置，如果你认为这需要时间或需要考虑速度，那么波函数坍缩本身就分分钟超光速了，因为你可以说：一年前发出的光子怎么通知1光年外的自己不要出现？

所以，实际上真正诡异的并非是量子纠缠，而是叠加态本身。

这种解释爱因斯坦自然无法接受，直到他去世，都从来没有公开宣布接受量子力学的完备性。所以有了那句名言：上帝不掷**！

这其实不能怪爱因斯坦冥顽不灵，在他在世时，他所提出的EPR悖论并没有能被实验室通过实验所证实或推翻，他所坚信的隐变量也从来没有被证伪。因为没有人能设计出一个可行方案能对其进行验证，虽然当时已经基本没有人怀疑量子力学的完备性。但作为一个具有独立思维的伟大科学家，他始终坚守这自己的信念——宇宙是可理解的。

我认为爱因斯坦没有错，错的是时代没有给他一个答案。

1955年4月18日，爱因斯坦与世长辞，最终没有等到他需要的答案，直到9年后的1964年，一位实验物理学家贝尔提出了一个不等式，后来以他名字命名的贝尔不等式，只有设计一个实验来验证不等式就能判断EPR悖论中究竟哪一方是正确的，贝尔作为爱因斯坦的脑残粉，当然希望自己的偶像爱因斯坦是正确的。

直到上世纪70年代后，首个验证贝尔不等式的实验成功，到80年代后，更严格的实验再次验证了贝尔不等式，所有实验均违反贝尔不等式，这表明爱因斯坦所说的隐变量并不存在！证明量子力学对客观世界的描述是完备的。不过当时的实验还存在漏洞，比如随机数漏洞，另外实验距离也不足。

到了本世纪，更多的更严谨的贝尔实验完成，这包括我国的墨子号实验卫星进行的超过一千公里的量子纠缠实验，还有数万人通过游戏程序提供随机数的大贝尔实验，可以认为目前的贝尔实验已经没有任何漏洞，然而所有实验结果都证明了量子力学的正确性和完备性。

今天，我们只能说我们拥有一个不可理解的宇宙，至少在目前，它是不可理解的。我们不知道为什么有叠加态，我们不知道为什么有波函数坍缩，我们不知道为什么有量子纠缠，这一切谜题等待着世界上最顶尖的科学家去解答，你能成为那个解答这些谜题的人吗？

诺奖证明了爱因斯坦存在的部分错误

诺奖证明了爱因斯坦存在的部分错误。

“今年诺贝尔物理学奖颁给这三个人，确实毫不意外。”10月4日下午，中科院物理所原研究员、北京凝聚态物理国家研究中心原首席科学家、上海交通大学李政道研究所讲席教授丁洪在接受新京报记者采访时表示，这三位科学家获奖也属于众望所归。

北京时间10月4日下午，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖颁给法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格。

以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献。他们将平均分享1000万瑞典克朗（约合人民币647万元）的奖金。

丁洪表示，这三位科学家的研究价值主要有两方面，一是证明了量子具有纠缠性，也就是证明量子力学是正确的，这也就证明了爱因斯坦的一个错误；二是他们的开创性实验，为今后量子信息技术尤其是量子通信的发展铺平了道路。

诺贝尔物理学奖委员会在10月4日的声明中表示，阿斯佩、克劳泽和蔡林格使用纠缠量子态进行了开创性实验，证实了研究和控制处于纠缠状态的粒子的潜力。这一试验结果为量子信息相关新技术的发展扫清了障碍。

贝尔不等式的影响

从贝尔不等式的验证实验可以看到，特别挑出来的具有严格相对论性分离的测量都严重违反贝尔不等式，说明按爱因斯坦方式描述孪生光子对的想法是行不通的，因为爱因斯坦是把EPR光子对的相互关联看成是由普通光源决定的普通性质，而后这些性质又在光子离开光源时被一道带走。但真实的情况应该是：一个EPR纠缠光子对是一个不可分离的实体，是不可能分派单独的局部性质给每个光子的。从某种意义上说，孪生光子对之间通过空间和时间保持联系，是量子不可分离性的直接明显的表现。难怪EPR文章会引起玻尔的强烈震动。盖因多粒子体系可能会导致纯粹的量子效应! 这在EPR论证提出以前是从未清晰地显露尊容的。而今，这种源于“非定域性”的量子效应已激起量子信息研究的蓬勃开展，涉及诸如量子密钥分配、量子浓缩编码、量子隐形传态、量子纠错码、量子计算机等众多领域。 　贝尔不等式近30年的验证历程，使量子力学的正确性又经受了一场高技术、高规格的严峻证明，它标志着直到今天实验都不支持对量子力学非完备性的指责，也反映了定域隐变量理论是不能取代量子力学的，就连贝尔本人都断然认定：“任何定域隐变量理论都不可能重现量子力学的全部统计性预言”(贝尔定理)。总之，贝尔不等式及其验证结论的科学意义是深远的，它把量子力学中纠缠着哲学思辩的争论演化成了可以运作的检验；贝尔不等式的验证经历与显现效应的现实意义也是重大的，它指引人们窥视到信息领域已经展现的神奇美景。诺贝尔物理学奖得主约瑟夫逊认为贝尔不等式和贝尔定理是“物理学中最重要的进展”，哲学家斯塔普认为贝尔定理是“意义最深远的科学发现”。它不仅对量子力学的完备性和量子实体的不可分离性起到了“见证”的作用，而且对展开人们的思维和视野也将产生积极长久的影响。贝尔不等式验证的否定结论和过程中显出的效应，同迈克耳逊-莫雷实验的否定性结论一样，对物理学的进一步发展具有同等重要的地位。

2022诺贝尔物理学奖获奖原因

实现纠缠光子的实验，证明其违反了贝尔不等式，开创了量子信息科学，使得量子信息科学从理论走向技术与应用。阿兰阿斯派科特、约翰克劳瑟和安东蔡林格分别使用纠缠量子态进行了开创性的实验，处于量子纠缠态的两个粒子即使相差十万八千里，也表现得像一个单一的单元。他们的实验结果为量子通信扫清了道路。量子信息的这个特性已经在实践中得到了应用，其领域包括量子计算机、量子网络和量子加密通信等。比如，在中国，量子保密通信已经有了较大规模的应用，大幅提升了信息的保密能力，量子加密信息理论上是不可破解的。量子纠缠态自提出以来就受到很多争议，爱因斯坦就不相信这个鬼魅般的特性。因为其违反相对论。20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）提出了以他的名字命名的数学不等式：贝尔不等式。这个公式说明如果存在隐变量（就是如果存在非量子力学的特性），则在实验中，两个量子的相关性永远不会超过某个特定的值。然而，量子力学预测纠缠态的两个量子的相关性将违反贝尔不等式。约翰·克劳瑟进行了一次量子实验，显示其违反了贝尔不等式，从而支持了量子力学。这意味着量子力学不能被使用隐变量的理论所取代。