2022年诺贝尔物理学奖“量子纠缠”是什么
AIST杂志编辑部
（合作：新原理计算研究中心松崎雄一郎）
我认为世界上只有少数人能够听到量子纠缠这个词并说：“那是……”。 2022年诺贝尔物理学奖授予了研究量子纠缠的法国萨克雷大学阿兰·阿斯佩博士、美国克劳瑟研究所约翰·克劳瑟博士和奥地利维也纳大学安东·蔡林格博士。
就算是听到这句话，你也根本无法想象量子世界里到底是什么样子。我很不好意思地说，我什至无法想象获得这个奖项将是多么令人惊奇。因此，我想介绍这个专栏，目的是提供一些信息，帮助那些从未在大学学过物理的人了解什么是量子纠缠，这也是获奖的一个主要原因。
[注意] 本专栏涵盖了 AIST 杂志编辑部所能理解的局限性。这可能不够科学，但我希望你在阅读之前理解这一点。
量子纠缠是量子之间的强相关性
新原理计算研究中心的松崎佑一郎与我合作，希望给我一个机会进一步研究什么是量子，什么是量子纠缠。松崎是基于量子力学的新技术研究前沿的研究员。 “你们都是物理系的吗？不是，我明白了，”他小心翼翼地解释道。
(1) 什么是量子？
看起来量子既具有粒子的性质，又具有波的性质。在这个小世界里，发生着与我们所熟悉的日常生活世界不同的物理现象，这些现象被系统地组织为“量子力学”。当观察这个量子时，据说它不仅可能采取一种状态，而且可能采取多种状态。这是一种称为“量子叠加”的状态。你听说过“薛定谔的猫”吗？这是薛定谔在脑海中进行的思想实验的故事。你们中的一些人可能听说过一个奇怪的故事：一只猫在一个盒子里既死又活。 (点击此处查看有关“薛定谔的猫”的简短介绍文章）
另外，以最容易想象的基于量子力学的技术“量子计算机”为例，在所谓的数字世界中，一位通常处于0或1状态，但在量子力学的世界中，它既可以是0，也可以是1，据说除非测量，否则无法得知。也就是说，在量子世界中，有可能同时存在状态0和状态1。
(2)什么是量子纠缠
量子似乎还有另一个独特的属性。当量子相互作用时，它们表现出非常强的相关性。因此，如果你事先知道，如果一个为1，另一个也为1，反之，如果0为0，那么你绝对可以通过测量一个来确定另一个的状态。
我请他通过与日常事件进行比较来解释相关性。主题是“石头、剪刀、布”。
举个例子，如果A先生和B先生连续玩石头剪刀布100次，最后连续相爱100次，就可以说存在很强的相关性。这在现实中几乎不可能，但却是强相关性的一个例子。当然，在现实世界中，A先生和B先生通过不断地与B先生沟通，比如通过提前约定交付物品，是可以通过玩石头剪刀布来加强相关性的。按照相同的顺序，或者通过讨论接下来将要交付的内容。然而，在量子世界中，即使消除了现实世界中可能的影响，也会表现出极强的相关性。
这种现实中不可能发生、即经典力学无法解释的强相关性被称为“量子纠缠”。
(3)三位诺贝尔物理学奖获得者的成就
2022 年诺贝尔物理学奖授予三位博士，以表彰他们“通过使用量子纠缠光子进行实验，证明贝尔不等式被违反，开创了量子信息领域。”
他们通过实验证明了“贝尔不等式”，这是由欧洲核子研究中心（欧洲核研究组织）的约翰·斯图尔特·贝尔博士设计的一种不等式，描述了两个粒子之间的相关性。对于两个相关量子，如果每个单独量子的状态在出生时经典地确定为 0 或 1，则贝尔不等式成立。然而，如果量子纠缠的性质是正确的，这样的描述是不可能的。这种差异决定了不平等是否被打破。通过利用这个不等式，我们可以确定量子纠缠是否存在。然而，松崎说，通过实验来测量这一点极其困难。
三位医生是如何证明这一点的呢？我将按顺序跟随他们。
20世纪70年代，克劳瑟教授和他的团队使用两个量子纠缠光子，用滤光片测量了左右飞行的光子的偏振，发现其中存在无法用“贝尔不等式”解释的“断裂”。然而，这个实验的结果并不完美，因为滤光片设置是固定的，不能完全排除外界对纠缠光子产生的影响。
阿斯皮教授是纠正这一问题的人。通过随机改变滤波器设置以消除设置的影响，我们证实了喷射的光子具有很强的相关性。他证明了贝尔不等式的违反。然而，在阿斯皮教授的实验中，条件仍然不完美，因为过滤器彼此距离很近。人们认为，如果被测量的滤波器彼此靠近，它们可能会受到影响。
因此，Zeilinger教授采用了一种方法，根据从不同星系到达地球的信号来切换检测光子的滤波器的设置，以使被测量的光子尽可能远离，从而不会受到彼此的影响。我们证明，即使探测器设置随机改变，量子纠缠中的光子也具有很强的相关性。
这三位研究人员的方法揭示了强相关量子纠缠的存在。
利用量子行为的技术挑战
(1)量子计算机
量子纠缠的存在已经被揭示，利用量子的技术正引起越来越多的关注。世界各地正在研究量子通信和量子传感等各种技术，尤其是量子计算机越来越多地出现在新闻中。 （相关文章）什么是量子计算机？）
松崎表示，量子计算机比以往任何时候都更需要“纠错技术”。
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(2) 使用量子纠缠的加密通信
除了量子计算机之外，量子纠缠还有哪些用途呢？其中之一是它用于通信。无论量子纠缠中的光子相距多远，测量一个光子就能立即确定另一个光子的状态。通过将这一特性与经典通信相结合，可以实现转移量子态的“量子隐形传态”，并且可以应用于量子通信。
从理论上讲，无论距离有多远，量子通信都是可能的，并且有报道称在数百公里范围内成功进行了通信。此外，与普通通信不同，无需担心拦截或盗窃，从而使安全通信成为可能。因此，量子通信也称为量子密码通信。
对于通信方面的应用，松崎平静地告诉我们：
实现量子密码通信和量子网络需要进一步的技术发展。为了通过量子隐形传态传输信息，精确测量一个量子的技术是必不可少的。能够精确测量单个弱光子并确定它是通信信息还是外部噪声的探测器也很重要。此外，虽然量子粒子可以形成叠加态，但需要将它们保持很长时间（相干时间），这样它们才不会被外界的噪声破坏。产生强相互作用的技术尚未建立。此外，由于光子在所有三维方向上传播，因此制造高精度透镜来聚焦它们也是一个重要问题。”
最重要的是，他作为一名研究人员发表了强有力的评论。
包括量子网络在内的利用量子行为的技术原理已经在理论上和实验上得到了阐明，剩下的唯一一步就是开发实现它们的技术。然而，这个障碍是非常大的。但是，作为一名研究人员，我想克服这个困难的障碍，以便人类能够积极地利用量子力学的现象，在量子力学中会发生一些仅凭直觉无法解释的奇怪的事情。