量子糾纏為什麼會獲得諾貝爾物理學獎？

王雅文、黃俊銓 譯

(0:00-0:15)
諾貝爾物理學獎通常頒發給瞭解自然的科學家，他們的發現使宇宙更易於理解。但是2022年諾貝爾獎所授予的三位物理學家，他們卻揭示了宇宙比我們想像的還要奇怪。

(0:21-1:21)
今年諾貝爾物理學獎的得主是約翰．克勞澤（John Clauser）、阿蘭．阿斯佩（Alain Aspect）和安東．塞林格（Anton Zeilinger），他們一起負責了一系列巧妙的實驗，證明量子力學最奇怪的預測實際上是正確的。

這是愛因斯坦拒絕接受的預測──兩個量子系統可以糾纏在一起的想法，相互綁定，使得它們可以在任何距離上瞬間相互影響。愛因斯坦稱之為「幽靈般的超距作用」，這似乎違反了他自己的相對論，該理論告訴我們，沒有任何因果影響的傳播速度可以超過光速。

Clauser和Aspect取得了最罕見的壯舉──他們證明愛因斯坦是錯誤的，而Zeilinger大大促進了我們對量子糾纏現象的理解和實務應用。當然，我們以前曾討論過一兩次量子糾纏，但今天我想告訴大家，關於今年諾貝爾獎榮耀的一系列精彩實驗。

(1:22-2:46)
讓我們從一個簡單的思想實驗開始。
你有兩顆球，一顆黑色、一顆白色。閉上眼睛，將球洗牌，然後把每顆球各自放入相同的盒子中。
你把第一個盒子放上火箭送去月球，第二個盒子留在地球上。
當地球上的盒子關閉時，月球上的球有50% / 50%的機會是黑色或白色。
一旦你打開地球上的盒子，立刻就會知道月亮上那顆球的顏色。

你是否讓訊息傳播得比光速還快？當然不是，關於球顏色的資訊總是在球上，你只是知道哪個是哪個。
現在想像這些是，具有糾纏「量子」顏色的量子球。根據量子力學，在盒子打開之前，我們不僅不知道哪個是哪個，而且球的顏色基本上是不確定的。
在進行測量之前，每顆球都處於可能是黑色、可能是白色的疊加狀態。

打開盒子會導致被觀察到的球必須選擇一種顏色狀態，然後迫使月球上的球選擇相反的顏色。
現在，你似乎真的有一種比光速傳播還快的效果，一旦你進行觀察，月球上的球就會從疊加狀態切換到確定的狀態。這些「量子球」可以是從亞原子到分子尺度的任何粒子，糾纏特性可以是自旋、動量或任何其他的量子性質。

(2:47-3:35)
但為什麼我們必須接受這種古怪的解釋呢？如果在開始時就確定球的顏色與打開盒子時相比，實驗結果會有什麼真正的區別嗎？為什麼還要提出這種糾纏和疊加的東西？

好吧，因為標準形式的量子力學是這麼說的。
量子系統由稱為波函數的數學物件描述，波函數根據薛丁格方程式演變。兩個糾纏物體的聯合波函數，僅包含有關這些物體之間相關性的資訊，並不包含有關其特定值的資訊。它們只有在觀察到波函數「塌縮」時，才獲得特定值。為了讓我們的量子球始終知道自己的顏色，需要有不包含在它們波函數中的額外資訊。

(3:36-4:26)
量子力學有幾種不同的解釋允許這種隱藏的資訊，它們統稱為「隱變數理論」。愛因斯坦認為這種隱藏的資訊一定存在，而波爾（Niels Bohr）等其他人則堅持認為波函數是對量子系統的完整描述。幾乎所有的科學辯論中，物理學家都站在愛因斯坦這一邊。但不是在這種情況下。

量子力學太成功了，波爾積極推動他的哥本哈根詮釋。它變成了教條，有一段時間，質疑正統觀念是職業自殺，比如研究隱變數理論。玻姆（David Bohm）在他的「導航波理論」中遇到了最糟糕的情況，我們在另一支影片中討論過。

(4:27-5:26)
約翰．斯圖爾特．貝爾（John Stewart Bell）是另一位隱變數異端。這位愛爾蘭物理學家不斷然地相信它們，但他不滿足於未經適當檢驗就接受哥本哈根詮釋。他還意識到，無需實際測量資訊，甚至無需測試特定的隱變數理論，就可以揭示隱藏資訊的存在。如果你想確切瞭解這些貝爾測試，我們之前已經討論過。

簡而言之，貝爾在1964年提出了他的貝爾定理，該定理表明，如果粒子本身掌握有關其內部狀態的資訊，那麼糾纏粒子的測量性質之間應該存在特定的統計關係，而且如果這些性質確實是在測量時決定的，則具有不同的統計關係。特別是，如果粒子中包含隱藏變數，則所謂的「貝爾不等式（Bell inequality）」將成立，否則將被違反。

(5:27-6:26)
最後有一個實際的測試，我們可以用它來檢查隱藏變數。
然而，直到1969年才進行了第一次貝爾測試，那是由我們2022年諾貝爾獎得主之一的John Clauser進行的。那麼為什麼花了5年時間呢？
好吧，貝爾測試真的很難執行。它們需要產生糾纏態，必須在不破壞粒子之間極其微妙的相關性的情況下，對其進行操縱和測量。除此之外，做貝爾測試也是對現狀的質疑，因此很難獲得所需的大量支持。

Clauser談到當他向理察．費曼（Richard Feynman）提出實驗想法時，費曼立即把他趕出了辦公室。顯然費曼認為這是毫無意義的，因為標準的量子力學顯然是正確的。Clauser和他的學生Stewart Jay Freedman並沒有被嚇倒。他們想出了一個絕妙的實驗，並打算嘗試一下。

(6:27-7:56)
事情是這樣的。他們通過弧光燈的強光發射一束鈣原子。
光將鈣原子中的電子激發到更高的能階，然後它們會再次躍遷，損失的能量被光子帶走。一種可能的電子躍遷發生在兩個量子自旋為零的狀態之間，這也導致產生了兩個光子。自旋是角動量的量子版本。
因為原子的自旋在這個躍遷中沒有改變，為了角動量守恆，這對光子需要總自旋為零，這意味著它們具有相反的圓偏振。

標準量子力學認為，這些偏振在測量之前是不確定的，當它們總是彼此相反時。另一方面，隱變數理論允許在產生光子的那一刻設置偏振。透過讓兩個光子都通過偏振片來測量這些偏振，Clauser和Freedman可以進行貝爾測試。

貝爾不等式在他們的實驗中令人信服地被違反了，這意味著量子力學完全按照預期作用，這暗示並沒有隱藏的變數。正如費曼告訴他們的那樣。但案件還沒有完全結束。約翰．貝爾自己指出，隱藏變數仍然可能是一回事，即使貝爾測試另有說法。

(7:57-9:10)
量子測量的結果取決於你如何進行測量，在這個實驗中，偏振片的方向決定了實驗對哪些偏振敏感。
貝爾定理假設測量的選擇是完全自由的，並且獨立於粒子產生的過程。
但在Clauser的實驗中，偏振片在整個實驗過程中都是被固定在原位。當糾纏光子產生時，它們的方向就已經決定了。

那麼如果這種方向，在光子產生時對光子的偏振方向有一定影響呢？然後光子可能會一直攜帶有關最終測量方向的隱藏資訊，並且看起來有點像標準量子力學，即使它們有真正的隱藏變數。

為了彌補這個漏洞，有必要在光子產生後以某種方式設置測量方向。這聽起來非常困難，倘若你不知道光子移動得非常快。但是，當你是一位出色的實驗家時，「難以置信的困難」就是你的謀生之道。因此，我們遇到了我們的第二位獲獎者Alain Aspect。

(9:11-10:30)
Aspect的設置與Clauser的非常相似，一束鈣原子被光激發，不過這次是用雷射而不是弧光燈。
但主要區別是在偏振片。為了改變偏振片的測量方向，你必須旋轉它，但很難做到，因為要比光子穿過光學工作臺的速度還快。Aspect找到了一種在不移動偏振片的情況下，隨機化測量方向的方法。訣竅是使用一種感測器。

在這種情況下，一塊石英會根據石英是否振動，以不同方式彎曲光路，並且可以通過電流打開和關閉振動。這意味著我們的糾纏光子可以隨著電開關發送到不同的偏振片，一個可以在光子產生和它們到達感測器之間的微小間隔內，快速隨機地打開和關閉的開關。

所有這一切都意味著，光子無法在它們被創造的那一刻就知道它們將如何被測量，如果你還記得的話，這就是Clauser和Freedman實驗中的潛在漏洞。貝爾不等式在Aspect的實驗中也被違反，對隱變數理論又造成了一次打擊。

(10:31-11:46)
那麼Aspect是否彌補了最後的漏洞呢？還不完全。
有兩種方法可以違反貝爾不等式，而量子糾纏不會像愛因斯坦擔心的那樣令人毛骨悚然。好吧，這些方式實際上仍令人毛骨悚然，但方式不同。

第一個我已經提到過：如果測量的選擇不獨立於糾纏粒子的產生怎麼辦？Aspect的實驗似乎藉由在粒子產生後做出選擇來消除這種可能性。
但是，如果隨機數生成器不是真正的隨機呢？
畢竟，信號可能已經從一些共同的影響傳播到鈣原子和隨機數生成器，導致它們密謀違反貝爾不等式。

這就是所謂的超決定論──基本上是說粒子不僅彼此相關，而且與隨機數生成器或物理學家選擇測量方向有關，所以最終宇宙別無選擇，只能總是隱藏「隱藏變數」的存在。
現在我們之前已經討論過超決定論，所以你可以自己決定這是否是一個合理的想法。但約翰．貝爾當然不認為這是合理的。

(11:47-12:33)
但即使沒有超決定論，也存在另一個漏洞。
貝爾定理可以用來排除局部隱變數的存在。它可以排除關於糾纏粒子狀態的秘密資訊存在於粒子本身中，這就是局部在這裡的意思。
但是糾纏粒子的全域波函數中仍然可能存在隱藏變數。
Clauser和Aspect的實驗排除了局部隱藏變數，但這可能意味著他們排除了局部性而不是隱藏資訊。任何對局部性的違反，仍然意味著某種影響的傳播速度比光速還快──愛因斯坦討厭的那種幽靈般的狀態。
無論如何，我們的諾貝爾獎獲得者揭示了一個許多人都無法接受的陌生宇宙。

(12:34-13:33)
好的，我們的第三位獲獎者Anton Zeilinger呢？
Clauser和Aspect的工作都是關於測試量子力學的基本原理，為了更接近它的怪異之處真正要告訴我們的世界。而他們的努力也帶來了非常實際的結果。他們和其他類似的人，提高了我們創造和操縱糾纏量子態的能力。Zeilinger充分利用了這些。

他可能是最著名的「量子隱形傳態」演示者。這是一種量子態在兩個粒子間轉移的現象，透過與它們兩個糾纏在一起的中介粒子。我們將把精彩的細節留到下次再說。

現在要知道的重點是，量子隱形傳態和其對應可使量子資訊移動的能力，對量子電腦至關重要。Zeilinger負責操縱糾纏方面的多項進展，並將這些進展應用於量子密碼學和量子電腦的開發。

(13:33-14:23物理學獎解說結束)
這是Space Time頻道罕見的一集，愛因斯坦和費曼都錯了。
愛因斯坦是因為，無論如何，量子世界確實相當詭異。
費曼認為Clauser永遠不會駁倒標準量子力學這件事是正確的，但他認為Clauser不應該嘗試卻是錯誤的。

因為只有當我們試圖將科學的理論推向突破點時，科學才會向前進展。無論他們是否突破，我們都會學到一些東西，也許我們會發現一些技術，並在將來以無人能預料的方式發揮作用。當我們對量子糾纏的理解更多，我們就更接近量子計算和量子密碼學時代。這一切都是因為少數科學家願意挑戰現狀，探尋時空不為人知的秘密。