諾貝爾物理學獎公布，獲獎者是阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·弗朗西斯·克勞澤（John Francis Clauser）、安東·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，並開創了量子信息這一學科。以下是來自諾獎官方的解讀。
阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·弗朗西斯·克勞澤（John Francis Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger）利用突破性的實驗，證明了研究和控制處於糾纏態粒子的潛力。處於量子糾纏態的一對粒子，發生在其中一個粒子上的事情，決定了發生在另一個粒子上的事情，即便它們實際上相距太遠而無法相互影響。今年的獲獎者對實驗工具的開發，為量子技術的新時代奠定了基礎。
量子力學的基本原理不只是一個理論或哲學問題。目前科學界正在進行密集的研究和開發，以利用單個粒子系統的特殊屬性來組建量子計算機，改進測量，建立量子網絡，構建安全的量子加密通信。
許多應用都依賴於所謂的「量子糾纏」——即量子力學允許兩個或更多的粒子以共享狀態存在，無論它們相距多遠。自量子力學理論提出以來，這一直是爭論最多的內容之一。愛因斯坦稱之為鬼魅般的超距作用，薛定諤則說它是量子力學最重要的特徵。
今年的獲獎者對糾纏的量子態進行了探索，他們的實驗為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。
遠離日常經驗
當兩個粒子處於糾纏的量子態時，有人測量一個粒子的屬性，就可以立即確定對另一個粒子進行等效測量的結果，而無需檢驗。
量子力學的特殊之處在於，它等效於那些小球在被測量之前沒有確定的狀態。這就好像兩個球都是灰色的，直到有人看了其中一個球一眼。在那一刻，它會隨機確定一個狀態，比方說隨機顯示這個球為白色。而另一個球則立即變成了與之相反的顏色。
但是，你怎麼知道一開始這些球就沒有一個固定的顏色呢？雖說它們表現得好像是灰色的，但說不定它們內部有一個隱藏的標籤，告訴它們當有人看到的時候，它們應該變成哪種顏色。
沒有人在看的時候
顏色是否存在？
量子力學的糾纏對，可以比作一台機器，它朝相反方向扔出相反顏色的兩個球。當鮑勃接住一個球並看到它是黑色的，他立即知道，愛麗絲接到的球是白色的。在使用隱藏變量的另一個理論中，這些球一直包含着隱藏的信息，知道自己要顯示為什麼顏色。然而，量子力學說，這些球就是灰色的，直到有人看它們，其中一個隨機變成白色，另一個則變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實驗可以區分上述兩種情形。這樣的實驗已經證明，量子力學的描述是正確的。
今年諾貝爾物理學獎所獎勵的研究，其中一個重要部分，便是對貝爾不等式的理論見解。貝爾不等式使我們有可能區分「包含不確定性的量子力學」和「包含隱藏變量的替代理論」。實驗表明，自然界的行為正如量子力學所預測的那樣。那些球是灰色的，沒有任何秘密信息。實驗中哪個球變成黑色，哪個球變成白色，完全是隨機的。
量子力學最重要的資源
糾纏的量子態有可能成為存儲、傳輸和處理信息的新方式。
如果糾纏對中的粒子以相反的方向行進，其中一個粒子與第三個粒子相遇，並以某種方式使它們產生糾纏，就會發生有趣的事情。它們會進入一個新的共享狀態。第三個粒子失去了自己的身份，但它原來的屬性現在已經轉移到了之前那對糾纏粒子中落單的那個粒子上了。這種將未知的量子態從一個粒子轉移到另一個粒子的方式，被稱為量子隱形傳態（quantum teleportation）。此類實驗最早是由安東·塞林格及其同事在1997年率先完成的。
值得注意的是，量子隱形傳態是將量子信息從一個系統轉移到另一個系統而不丟失任何部分的唯一方法。測量一個量子系統的所有屬性，再將信息發送給一個想要重建該系統的接收者，是絕對不可能的。這是因為，一個量子系統可以同時包含每個屬性的幾個版本，而每個版本在測量中都有一定的概率出現。一旦進行了測量，那就只剩下了一個版本，也就是被測量儀器讀取的那個版本。其他的版本已經消失了，不可能再知道關於它們的任何事情。然而，完全未知的量子特性可以通過量子隱形傳態來轉移，並完好無缺地出現在另一個粒子中，但代價是這些量子特性在原粒子中被破壞殆盡。
這一點在實驗中一經證明，下一步便是使用兩對糾纏粒子。如果每對糾纏粒子中的各一個粒子，以某種方式被糾纏在一起，那麼原糾纏對中未受干擾的那兩個粒子也會變得糾纏，儘管它們從未相互接觸過。這樣的糾纏互換，在1998年由安東·塞林格的研究團隊率先證明。
糾纏的一對光子，可以通過光纖以相反的方向發送，並在量子網絡中發揮信號作用。兩對光子之間的糾纏，使得這樣一個網絡中節點之間的距離有可能延長。光子通過光纖發送的距離是有限制的，太長的話，光子會被吸收或者失去特性。普通的光信號可以在途中被放大，但糾纏光子對沒辦法這樣做。放大器必須對光進行捕獲和測量，這會打破量子糾纏。然而，糾纏互換意味着有可能進一步發送原始狀態，從而將其轉移到原本不可能傳送到的更遠距離上。
從未見過面的糾纏粒子
兩對糾纏在一起的粒子從不同的來源發射出來。每對粒子中的一個粒子以一種特殊的方式被帶到一起，使它們發生糾纏。此時，另外兩個粒子（圖中的1和4）也被糾纏起來。通過這種方式，兩個從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。
從佯謬到不等式
這一進展建立在多年的發展之上。它始於一個令人匪夷所思的見解，即量子力學允許一個單一的量子系統被分割成相互分離的部分，而這些部分仍然作為一個單一的單元行事。
這違背了所有關於因果關係和現實本質的常規想法。如果沒有來自其他地方的某種形式的信號，一個東西怎麼可能被發生在其他地方的事件所影響？信號的傳播速度不可能超過光速——但在量子力學中，似乎沒有必要用信號來連接一個擴展系統的不同部分。
愛因斯坦認為這是不可行的，並與他的同事鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森·羅森（Nathan Rosen）一起研究了這個現象。他們在1935年提出了他們的推理：量子力學似乎並沒有提供對現實的完整描述。這被稱為EPR佯謬，以三人名字的首字母命名。
問題是，是否可能存在一個對世界更完整的描述，而量子力學只是其中一部分呢？舉例來說，粒子會不會總是攜帶着隱藏信息，來決定它們在實驗中顯示怎樣的結果——這是否可行呢？如此一來，所有的測量結果顯示的都是存在於測量地點的確切屬性。這種類型的信息往往被稱為「局域隱變量」（local hidden variables）。
在歐洲核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell，1928-1990）對這個問題進行了仔細研究。他發現存在一種類型的實驗，可以確定世界到底是純粹的量子力學，還是帶有隱變量的另一種描述。如果他的實驗重複多次，所有帶有隱變量的理論都會顯示出結果之間的相關性，這種相關性必須小於或者最多等於一個特定數值。這就是所謂的「貝爾不等式」。
然而，量子力學可以違反這個不等式。它預測的結果之間的相關性數值，要比隱變量描述得到的數值更高。
20世紀60年代，當時還是學生的約翰·克勞澤對量子力學的基本原理產生了興趣。他一讀到約翰·貝爾的想法就無法自拔，最終，他和其他三位研究人員提出了一個可以實際操作的實驗方案，能夠用來檢驗貝爾不等式。
該實驗涉及朝相反方向發送一對糾纏的粒子。實驗中使用的光子，擁有一種被稱為偏振（polarisation）的性質。當粒子被發射出去時，偏振的方向是不確定的，唯一確定的是粒子都具有平行偏振。這可以用一個濾鏡來研究，這個濾鏡只允許朝向特定方向偏振的光子通過（參見插圖「貝爾不等式實驗」）。許多太陽鏡也用到了這一效應，用來阻擋在某個特定平面上偏振的光，比如水面的反射光。
如果實驗中的兩個粒子都被送往朝向同一個平面（比如垂直方向）的濾鏡，其中一個通過濾鏡，那麼另一個也會通過。如果濾鏡方向彼此成直角，那麼一個粒子會被阻止，而另一個粒子會通過濾鏡。實驗的訣竅是，在不同方向上以傾斜的角度設置濾鏡進行測量，如此一來結果就會有所不同：有時兩個粒子都會通過，有時只有一個通過，有時一個都過不去。兩個粒子有多大概率全都通過濾鏡，取決於濾鏡之間的角度。
量子力學帶來了測量之間的相關性。一個粒子通過濾鏡的可能性，取決於實驗裝置另一側那塊濾鏡的角度，而後者是拿來測量其夥伴粒子的偏振用的。這意味着，在某些角度上，兩個測量的結果違背了貝爾不等式，相比受隱變量支配的結果，以及在粒子發射時已經預先確定的結果，量子力學具有更強的相關性。
被違反的不等式
約翰·克勞澤立即開始着手進行這一實驗。他建造了一個儀器，每次發射兩個糾纏在一起的光子，每個光子都射向一個濾鏡，測試它們的偏振。1972年，他和博士生斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一個結果，明顯違反了貝爾不等式，並與量子力學的預測一致。
在隨後的幾年裡，約翰·克勞澤和其他物理學家繼續討論該實驗及其局限性。其中一個局限性是，該實驗在產生和捕獲粒子時，總體上效率低下。測量也是預先設定好的，濾鏡被設置在固定的角度。因此，實驗存在漏洞，觀察者可以對結果提出質疑：會不會是實驗裝置以某種方式選擇了碰巧有強烈相關性的粒子，而沒有檢測到其他粒子？如果是這樣的話，那這些粒子就仍然可能攜帶着隱藏的信息。
要彌補這一漏洞是很困難的，因為糾纏在一起的量子態極其脆弱，難以處置；而實驗又必須要處理單個光子。法國博士生阿蘭·阿斯佩沒有被嚇倒，他建立了一個新版本的裝置，並在幾次反覆中進行了完善。在他的實驗中，他可以記錄通過濾鏡的光子和沒有通過的光子。這意味着檢測到更多的光子，測量結果也更好。
在最終版本的實驗中，他還有能力將光子引向設置在不同角度的兩塊不同的濾鏡。巧妙之處在於，在糾纏光子對產生並從源頭髮出後，還有一個裝置可以切換它們行進的方向。濾鏡相隔只有6米，因此切換必須在幾十億分之一秒內發生。如果光子會抵達某個濾鏡的信息，從源頭上影響了它如何發出的方式，那它將無法抵達那塊濾鏡。同樣，實驗裝置中與一邊的濾鏡有關的信息，也無法傳到另一邊並影響那裡的測量結果。
通過這種方式，阿蘭·阿斯佩彌補了一個重要的漏洞，並提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，不存在隱藏的變量。
量子信息時代
諸如此類的這些實驗，為當前量子信息科學的深入研究奠定了基礎。
有能力操縱和管理量子態及其所有層次的特性，使我們能夠獲得具有意想不到潛力的工具。這就是量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法的基礎。具有兩個以上的粒子、且所有粒子都糾纏在一起的系統，現在已經投入了使用，而安東·塞林格及其同事是第一個探索這些系統的人。
貝爾不等式實驗：
這些日益完善的工具使現實的應用越來越近。糾纏的量子態現在通過光子，已經可以在幾十公里的光纖之間，甚至衛星和地面站之間傳送。在很短的時間內，世界各地的研究人員已經找到了許多新的方法，來利用量子力學這一最強大的特性。
第一次量子革命給我們帶來了晶體管和激光器，而現在，多虧了操縱糾纏粒子系統的工具，我們正進入一個新世代。
明天下午，2022年諾貝爾獎還將公布化學獎。果殼依然會跟你一起等待諾獎的結果，並在第一時間發布最靠譜的諾獎解讀。
-(翻譯：果殼翻譯班/大可數學人生工作室)
