李红雨
有关2022年诺贝尔物理奖的一些想法 精选
2022-10-4 23:38
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2022年度的诺贝尔物理奖授予了法国科学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国科学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser)以及奥地利科学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)以表彰他们“进行了纠缠光子的实验,确立了对贝尔不等式的不成立,并开创了量子信息科学”。

颁奖的原文如下:

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics 2022 to

Alain Aspect - Université Paris-Saclay and école Polytechnique, Palaiseau, France

John F. Clauser - J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA, USA

Anton Zeilinger - University of Vienna, Austria

“for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science”

历年的诺贝尔物理奖都是一道难猜的题,不过今年的物理诺奖还是出乎绝大多数人的意料,这个奖无疑是奖给量子纠缠实验的,对量子理论和历史有些了解的人都知道,量子纠缠就像它的名字一样一直纠缠在量子物理学家的心头,就像爱因斯坦一样,有些物理学家对此并不认同,但是也许更多人已经把这个纠缠看做量子一个不可或缺的特性了。我的记忆中,除了前几年引力波之外,这个量子纠缠算是最具分量的有关基础理论方面验证实验获奖,所以从意义的角度来说是照比往年分量更重一些。

所以说出乎大家的意料之外倒不是因为这些实验年头太久,让人遗忘,而确实存在贝尔不等式本身的含义以及验证实验的一些争议,也因为这些争议,导致后来的实验家不断用各种消除已知的漏铜的方式,进行各种精确实验,对贝尔不等式反复进行了验证,从目前的情形来看,应该是对量子纠缠的世界存在对贝尔不等式违反的情况,因此越来越多的人开始从怀疑转向相信量子纠缠效应的确实存在,并且在这个效应存在的前提下,得以开展有关量子测量、量子计算及量子密钥分发方面的研究。

但是仍然需要澄清的是一些事实,虽然有量子纠缠的理论,并且有验证实验,但是量子纠缠本身从来没有在任何实验中被直接验证过,就是因为不可能被直接验证,也才需要通过贝尔不等式的方式做间接验证,所以所有有关量子纠缠被实验所验证的说法仍然需要在实验前加上“间接”更准确一些,这其实就给量子纠缠是否真实存在提供了额外的解释空间,以及真实存在的情况下如何应用也是个难以解决的问题,毕竟按照纠缠理论,一个量子被观测后,另一个纠缠着的量子的态也被固定下来,纠缠不复存在,不像某些人心里想的文章中写的那样,你可以随意把玩其中一个量子,另一个量子也如鬼魅般随之起舞。

贝尔不等式有什么解释空间吗?通常人们所说的贝尔不等式是数学形式为∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy,人们通常认为这个不等式表达了普通世界的事物相关性,如果违反这个不等式,意味着存在反常的超相关性,这跟量子纠缠表现出来的非定域性相关,也就是说,纠缠的多量子态之间的改变(只能改变一次)无需通过任何介质,在不表现出来场与作用的情况下,在相距遥远的地方同时发生。不过只要注意贝尔不等式中不存在任何时间参数,就知道这种同时性是无法在贝尔不等式中表达出来的,贝尔不等式表达的是重复事件的概率,并不是某一时刻某一事件发生的概率,这个区别如果你只关心纸面上的计算,你就根本不会注意到这个区别的重要性。

这首先会引起有关同时性的疑虑,而纠缠去除了同时性的属性,其实剩下的就是相关性,而相关性是经典物理世界的属性,如果你愿意较真的话,你就知道现在所有量子计算涉及到的东西都是相关性,而不需要任何同时性,这就给量子计算是否是量子纠缠提出了疑问。没有了同时性,量子计算的理论威力会大打折扣,尽管与普通通用计算机仍然很不同,但是已经没有神秘力量的加持了,也不可能兑现量子计算巨大威力的承诺。

违反贝尔不等式如果看做存在超相关性,我做过一个数学模型的演算,就是假设存在任意的超相关性,那么无论试验中你对实验数据做任何修改,包括你假设纠缠始终存在,而不会只改变一次,或者你对数据做杂乱无章的修改,你获得的数据都永远不会违反贝尔不等式,所以我应该比较有信心说,任何违反贝尔不等式的实验都不可能直接违反原教旨主义色彩的∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy,而只能是其它所谓贝尔不等式的等价形式,事实也恰恰如此,上述获奖的三人都不是采用贝尔原装的不等式进行的验证,而是采用了所谓等价的CHSH不等式,所以如果如果有人试图否定量子纠缠,就不用费心从原装的贝尔不等式上找起,我不认为那会成功,而要分析CHSH出了什么问题。尽管大家都说CHSH与贝尔不等式等价,但是这种等价不是数学定理证明的结果,而是一种物理意义的等价,因为在允许随意构造数据的情况下,确实能够做出来违反不等式的结果,所以其中必有不等价的地方。

此次三人诺奖的获奖是因为贝尔不等式验证实验,这些工作是量子信息领域的前端性工作,但是他们三人并没有实际做任何有关量子信息方面的工作,所以有人解读说这是量子信息领域获得诺奖,这是解读错了。而且量子纠缠大概还算与量子计算机有一些相关性,但是对于BB84这类单光子协议的密钥分发与量子纠缠风马牛不相及,跟国内热门的量通没有任何相关性。

这个奖是奖给量子纠缠的,其实最有资格领取这个奖项的是贝尔本人,可惜他早在30多年前就去世了,这体现了诺奖本身的谨慎。我注意到获奖的三人年长者今年80岁,最小的也75岁了,如果量子纠缠值得获得一个诺奖,也是到了该给的时候了,显然诺奖委员会的人们不愿意错过这么一个重要的里程碑般的物理话题,哪怕存在些微争议也值得赌上一把。这几十年来,这些实验结果既然没有被推翻,在今后几十年里被推翻的可能性或许也不大,现在的确已经少有量子专家们对这个领域的继续探索感兴趣,他们更多愿意在相关领域大力发展相关的技术。当年朗道也是因为受伤严重,诺奖委员会匆忙把当年的诺奖在苏联的医院里颁发给朗道,当然朗道那是实至名归,毫无争议,这次是否也有这个考虑?我自己本人的观点,量子纠缠其实不管给不给这个诺奖,还得继续在量子专家脑子里面纠缠下去。


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