2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他们在量子力学基础研究方面做出的贡献。他们利用纠缠光子，实验验证了贝尔不等式在微观世界中不成立，证明了量子力学的完备性，引领并推动了量子信息科学的发展。

著名思想实验EPR佯谬

今年诺贝尔物理学奖研究项目的背景，要从爱因斯坦和哥本哈根学派对于量子力学的诠释之争开始说起。

爱因斯坦一直对量子力学及玻尔代表的哥本哈根学派对于量子力学的诠释持怀疑态度，他提出了一个又一个思想实验，企图证明量子力学是不完备的。其中最为著名的思想实验是所谓的EPR佯谬。爱因斯坦认为，量子纠缠这种超距相互作用是不可思议的，违背了狭义相对论。他与他在普林斯顿的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一个思想实验EPR佯谬。1935 年3 月，《物理评论》期刊发表了他们共同署名的EPR 论文。此后人们就以署名的3位物理学家姓氏的首字母来命名，称为“EPR佯谬”。

“EPR佯谬”描述了A、B为自旋1/2的粒子，初始总自旋为零。假设粒子有两种可能的自旋，分别是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋为 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持总体守恒，反之亦然。当今人们称之为两个粒子构成的量子纠缠态；描述了处在纠缠态的两个粒子之间的关联性，与粒子之间的距离无关；可以同时测量也可延迟测量，即超光速的；与空间环境无关，电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法阻挡它们的关联。

爱因斯坦这一方认为这种现象是绝不会出现的，把这种现象称为幽灵般的超距作用，认为问题源于“量子力学是不完备的”。

而哥本哈根学派代表人物尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔（Niels Henrik David Bohr）认为量子世界是非局域的，这个超距离作用必定存在，量子力学是完备的。

贝尔不等式实验

作为爱因斯坦思想的继承人，戴维玻姆(David Joseph Bohm)在1952年引入了 “隐变量”，在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。1964年，爱因斯坦的追随者约翰贝尔（John Bell）定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2。而用量子力学理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。贝尔不等式的诞生，宣告了量子力学理论的局域性争议从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。虽然贝尔作为爱因斯坦的追随者，其研究隐变量理论的初衷是要证明量子力学的非局域性有误，可后来所有的实验都表明局域隐变量理论预言有误，而量子理论的预言与实验一致。

后来，贝尔不等式的实验验证，就是由获得2022年度诺贝尔物理学奖的3位科学家接续完成的。

1969年，当时还是哥伦比亚大学研究生的克劳泽和Michael Horne、Abner Shimony和Richard Holt一起，通过现在被称为Clauser-Horn-Shimony-Holt (CHSH)不等式，将贝尔1964年的不等式转化为一个在实验上更容易观测的不等式。

1972年， 克劳泽已经是博士后研究员了，他和研究生Stuart Freedman利用钙原子级联辐射出的两个光子，其偏振状态处于纠缠态，首次验证了贝尔不等式的违背。但是因存在定域性漏洞，即纠缠的光子之间距离太小，而且探测的可观测量是预先设定的，在当时被外界认为还不足以说明纠缠的非局域性。

1982年，阿斯佩等人在巴黎第十一大学改进克劳泽和Freedman贝尔定理实验，改进了克劳泽的实验装置，使两个纠缠光子相隔约12米远，这样即使信号以光速在它们之间传播，也要花上40纳秒(ns)的时间，并且通过偏振片每10ns调节变换探测的可观测量，这比双方之间光速来往的时间都要短许多，部分消除了定域性的漏洞，依然得到了违反贝尔不等式的实验结果。 这是外界普遍比较信服的实验结果。

1998年，塞林格等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，利用人们现在最常用到的非线性晶体中参量下转换产生的纠缠光子对，纠缠光子对之间的距离可以被拉得更远，进一步排除定域性漏洞，实验结果具有决定意义。

随后多年来，人们还是通过各种各样的纠缠粒子对，验证贝尔不等式，是因为之前实验存在的不完美和漏洞。

2015年，荷兰Delft技术大学的Ronald Hanson研究组报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。从而证伪了局域的隐变量理论。

随后Lynden Shalm领导的NIST的研究团队和塞林格的维也纳团队也分别利用纠错的光子对完成了无漏洞的贝尔不等式的验证。

纠缠态研究超越了解释量子力学基本问题

3位科学家获得诺贝尔物理学奖，实至名归。就像诺贝尔物理学委员会主席说的那样，获奖者对纠缠态的研究已经超越了解释量子力学的基本问题。那就是因为以3位物理学家的研究为基础，量子纠缠已经在很多物理体系中被实验证实并且加以利用。比如在我们的实验室中，激光经过非线性晶体，会产生自发参量下转换过程，一个泵浦光子就会分裂成一对光子，满足相位匹配条件。这一对光子就处于某一个特定的纠缠态上。这两个光子无论相距多远，比如一个留在我的实验室、一个用墨子号卫星发送到太空，只要我们测量得知我的实验室中的光子的状态，不需要对另外一个在遥远太空的光子做任何操作，都可以瞬间获知它的状态。

量子纠缠是一种非常重要的物理资源，可以应用于量子保密通信，使我们获得更加安全高效的通信方式；应用于量子计算，使我们拥有经典不可比拟的强大算力的量子计算机；应用于量子精密测量，使我们拥有精度更高的测量方式等。

（作者：薛鹏，北京计算科学研究中心教授，国家杰出青年科学基金获得者。2004年7月获得博士学位后赴奥地利因斯布鲁克大学以及加拿大卡尔加里大学，作为博士后从事量子信息和量子光学的基础研究工作，在国际顶级学术期刊包括：《自然-物理》《物理评论快报》《自然-通讯》等以第一/通信作者发表学术论文130余篇，被《科学》《自然》等国际主要学术期刊引用4000余次，单篇引用达400余次。获王大珩光学奖中青年科技人员奖。本文编辑：朱广清）