聊一聊2022诺贝尔物理学奖：量子纠缠与真空的密切联系

iVacuum真空聚焦 2022-10-11 08:30

作者|iVacuum 来源|iVacuum真空聚焦(ID：iVacuum)

北京时间10月4日下午，2022年诺贝尔物理学奖被授予科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“用纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。

三位科学家使用纠缠量子态进行了开创性的实验，在纠缠量子态中，即使两个粒子分离，它们也表现得像一个单独的单元。他们的研究结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。瑞典皇家科学院表示，他们的工作为量子技术的新时代奠定了基础。

“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题。”——诺贝尔物理学奖委员会主席安德斯·伊尔贝克

贝尔不等式的违反

1964年，为了验证隐变量和量子力学谁对谁错，贝尔设计了一个理想实验。他成功地将EPR（爱因斯坦和波多尔斯基、罗森共同提出了用三人首字母命名的EPR佯谬）中两个粒子的相关性用关联函数定量地描述了出来。

他发现，基于经典理论，也就是在爱因斯坦所强调的定域存在性的理论框架下，这个关联具有一个最大值，这就是大名鼎鼎的贝尔不等式。

▲ 贝尔不等式

如果隐变量理论是正确的，那么贝尔不等式就一定成立，但量子力学可以违背这一不等式，因为量子力学所预言的最大关联值比隐变量理论要高。贝尔不等式固然重要，但它只是一个判据。如果没有实验的验证，贝尔不等式就没有意义。

在贝尔不等式的实验验证中，约翰·克劳泽提出了一个用纠缠态光子来检验贝尔不等式的可行的实验方案，并在1972年获得了与量子力学一致，违反贝尔不等式的结果。

但这一实验存在一个严重漏洞：不能保证系统里不含预先的信息。阿兰·阿斯佩建立了一个新的装置，并反复进行了完善以确保系统里不含预先信息，补上了这一漏洞。而安东·塞林格研究了多粒子纠缠系统，并对贝尔不等式做了更多测试。

最终，科学家得出结论：实验确实得到了违背贝尔不等式的结果，量子力学是正确的！这三位科学家也因此分享了2022年的诺贝尔物理学奖。

什么是量子纠缠

关于上文所提及的量子纠缠态，从实践的角度来说，量子纠缠所代表的，其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满，正源于每一阶段可应用范围的不够。那么如何理解量子纠缠呢？

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

要了解量子纠缠，首先要知道量子和量子的基本单元——量子比特。

按照超流体真空论，可以把量子理解为一种超流体性质的真空的一种运动状态。由于流体内部涡旋常常表现为一种柱状结构，所以很可能我们通常理解的微观量子并不是球形结构，而是柱状结构。因为我们知道的绝大多数量子其实是弦的某种振动，而弦是由多个量子比特构成，这样，实际上量子比特就是真空涡旋，本身就是真空的一部分，是真空的某种运动状态而已。

而相对论是一种适用于真空涡旋（自旋量子）的理论。在超流体性质的真空中，除了真空涡旋，还有其他运动状态，都可以类比流体内的各种运动。在超流体中，因为理论上没有能量损失，一个涡旋的边界可以是无穷远，这或许可以很好的解释量子纠缠的非局域性。

因此，量子纠缠其实是真空涡旋之间的相互影响。当两个粒子相连时，就会发生量子纠缠，一个粒子发生的任何变化都会立即影响另一个粒子，而无论它们之间的距离有多远。因此有爱因斯坦“远距离的怪异动作”的著名描述。

▲ 两个光粒子之间的纠缠：他们正在互动，并在一小段时间内共享系统状态

苏格兰格拉斯哥大学的物理学家保罗·安托万·莫罗（Paul-Antoine Moreau）于2019年7月捕获的惊人图像，是有史以来第一张量子纠缠的照片。尽管它们被分割，但它们都以相同的方式移动。换句话说，它们被纠缠在了一起。

▲ 四个不同的相变下所捕获光子的完整的四个图像

量子纠缠与真空

以下关于真空的论述引自《从量子场论看真空的物质形态问题-2》一文，该文刊登在南阳师范学院学报（第4卷第12期2005年12月），由姚丽萍和黄金书两位学者合写。文中对“真空是什么”的问题回答得十分明确：真空是物质，是基态量子场。现将有关的段落摘出如下。

“现代的真空理论实质上是量子理论。量子场是物质的基本形态，它是既具有波动性又具有微粒性的物质客体，它具有多种运动状态，如激发态和基态。量子场激发态的出现代表实量子的产生，激发态的消失代表实量子的消失。实粒子的消失只是表明量子场的激发态消失了，而不是量子场这种客体消失了，量子场还存在，不过此时量子场处于能量最低的运动状态，也就是处于基态，人们把基态的量子场称为“真空”。真空不空，真空本身就是一种特殊的物质，即基态的量子场。”

真空具有看不见、摸不着的形态，然而真空不是“虚无”，真空是作为一种物质而存在的。

“真空就是基态的量子场，因而真空和其他形态的物质一样可以具有各种各样的物理性质，如量子电动力学中的真空零点振荡、真空涨落、真空极化等等……”

“关于量子电动力学的精确实验，不但观察到真空涨落和真空极化所导致的种种物理效应，而且得到的实验值与量子电动力学的理论计算以非常高的精确度相符合。例如氢原子兰姆能级移动……”

基态量子场有多种物质成分，即有多种形态的基态量子场，比如基态电子场，基态质子场，基态光子场等等。量子电子场的基态是量子场处于最低能量状态，最低能量等于多少，人们并没有共识。但最低能态的存在，就避免了电子场激发态消失后，电子向负能态无止境地掉下去成为一架永动机。

真空负能态电子海的描述虽然难以接受，但让狄拉克成功预言反电子的存在。而光子的反粒子就是它自己，因此基态光子场没有负能态，基态光子场的最低能态就是零，这正是《对量子纠缠即时性的讨论》一文中，狭义相对论推导的结果：静止质量等于零的粒子在非光速状态下，能量和质量等于零，也是构成基态光子场的不可观察的“虚光子”的性质。当一个虚光子吸收一分能量，虚光子成为一个可观察的以光速运动的光子，这就是量子场论所说的，能量使得光子量子场从基态（真空）跃迁为激发态的表述。

那么虚光子能否携带信息呢？《从量子场论看真空的物质形态问题-2》中写道：“真空零点振荡是量子场的各种振荡模式在基态中不停地振荡。”光子场的振荡模式是电磁振荡，那么基态光子场的振荡模式就是电磁振荡，也即是说，虚光子也不停地作电磁振荡，既然虚光子作电磁振荡就说明它可以携带相应的信息，之所以不可观察是因为它处于基态，作非光速运动，没有能量。

虚光子作电磁振荡是量子场论允许的，没有能量而作非光速运动是相对论所制约的，如果吸收了能量就就成为可观察的光子。真空存在作电磁振荡的超光速的虚光子，虚光子的存在就为远距离的纠缠量子实现纠缠关系提供了依据，也就是爱因斯坦在疑惑中提出的鬼魅般的物质，是《对量子纠缠即时性的讨论》中提出的触发纠缠量子实现纠缠关系的超光速使者。

因此，真空不是没有物质的虚无空间。真空是一种物质，是基态量子场，虽然这种物质的形态的表现是看不见、摸不着，但真空是作为一种特殊形态的物质而实在地存在着，真空与物质粒子作用的物理效应是可以观察的，而真空与纠缠量子作用的物理效应就是实现纠缠关系。如果纠缠量子之间隔着的是虚无的空间，量子纠缠不会发生。

有关于量子力学与真空技术的深入探讨，我们会在接下来发布《特邀论文丨相对论、量子力学与真空科学技术》，敬请期待。

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