光屬於能量嗎
法國科學家阿蘭·阿斯佩 （Alain Aspect）、美國科學家約翰·克勞澤 （John Clauser） 、奧地利科學家安東·塞林格 （Anton Zeilinger） 榮膺 2022 年諾貝爾物理學獎，以表彰他們為糾纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創性的量子資訊科學所作出的貢獻。
糾纏是20世紀30年代物理學泰斗愛因斯坦與玻爾和薛定諤之間關於宇宙如何在基本層面上運作的激烈衝突的核心。愛因斯坦認為現實的所有方面都應該有一個具體和完全可知的存在。所有物體——從月亮到光子——都應該有精確定義的屬性，可以透過測量發現。然而，玻爾、薛定諤和其他量子力學的先驅們發現，現實似乎從根本上是不確定的
；
直到測量時刻，粒子才具有某些屬性。
糾纏成為區分這兩種可能的現實版本的決定性方式。物理學家貝爾提出了一個決定性的思想實驗，後來由
阿斯佩和克勞
澤
以各種實驗形式實現。這項工作證明薛定諤是對的。量子力學是宇宙的作業系統。
除了其打破正規化的哲學意義外，糾纏現在還準備為一波新興的量子技術提供動力。塞林格一直處於該領域的前沿，他開發的技術利用糾纏來實現量子網路、遠端傳輸和密碼學的驚人壯舉。
量子資訊科學是一個充滿活力和快速發展的領域。它在安全資訊傳輸、量子計算和感測技術等領域具有廣泛的潛在影響它的預測打開了通往另一個世界的大門，它也動搖了我們解釋測量的基礎。
量子糾纏
當兩個粒子一起形成一個量子系統時，無論它們之間的距離如何，它們都會糾纏在一起。考慮兩個電子。電子有一個叫做自旋的量子屬性，當測量時，它可以採取兩個數值之一，被稱為 “向上 ”或 “向下”。測量每個電子的自旋就像扔硬幣一樣：它將隨機得出向上或向下的結果。
現在想象一下，兩位物理學家，
阿斯佩和克勞
澤
，各自在郵件中收到一系列的硬幣。當每對硬幣到達時，他們同時翻轉硬幣。
阿斯佩
可能會得到頭、尾、尾、頭、尾的序列。而
克勞澤
可能得到頭、頭、尾、尾、尾。
阿斯佩
和
克勞澤
的硬幣的結果將與對方無關。
但如果他們用一系列糾纏的電子而不是硬幣來重複這個實驗，他們會得到一個奇怪的結果。每當
阿斯佩
測量一個自旋上升的電子時，
克勞澤
就會發現他的電子對中的相應一半自旋下降，反之亦然。這兩個測量行為是相通的，幾乎就像丟擲一枚硬幣可以發出一個訊號，在測量的精確時刻即時確保其遠方夥伴的正確結果。
愛因斯坦與波多爾斯基和羅森一起，在1935年的一篇著名的論文中首次描述了量子糾纏現象。這種現象被愛因斯坦稱為 “遠距離的幽靈行動”，是新興的量子力學理論不可避免的結果。愛因斯坦懷疑，糾纏將證明是量子力學的喪鐘，因為它似乎違背了相對論的核心原則，即任何資訊的傳播速度都不能超過光速。對一個電子的測量不應該能夠立即影響到某個遙遠地方的測量。相反，他們的論文將為徹底重新思考現實和一個激進的新研究領域奠定基礎。
測量
到了20世紀30年代，很明顯，玻爾、薛定諤和其他量子先驅們都發現了一些問題；該理論比其他任何理論都更準確地描述了原子和亞原子粒子的實驗。爭論的焦點是人們能在多大程度上相信它。
例如，愛因斯坦抱有希望，認為這個奇怪的理論只是通向更完整的圖景的一塊墊腳石，在哲學上將與經典物理學保持一致。他懷疑兩個糾纏在一起的電子具有相反的自旋，是因為一些 “隱藏的變數 ”首先導致它們的自旋指向相反的方向。換句話說，量子力學中看似隨機的測量結果實際上是一些尚未被認可的決定性描述的結果，這些描述在粒子之間創造了一種虛幻的聯絡。
1964年，貝爾提出了一個可以解決這一爭論的實驗。實驗的細節相當複雜，但總的想法是讓兩位物理學家沿著不同的軸線測量糾纏在一起的粒子的自旋：不僅僅是向上或向下，有時也隨機地向左或向右以及沿著其他方向。如果愛因斯坦是對的，而且這些粒子一直秘密地具有預定的自旋，那麼切換測量軸的行為應該對結果沒有影響。貝爾計算出，如果宇宙真的是量子力學，而且糾纏就像它看起來那樣詭異，那麼軸線切換將導致相關的自旋測量，比相對論等經典理論中的測量更經常。約翰-貝爾將哲學辯論轉化為科學，並提供了可測試的預測。
貝爾實驗
勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的克勞
澤
與研究生斯弗裡德曼一起，是第一個將貝爾的實驗從書本上搬到實驗室的人。克勞
澤
意識到，如果實驗涉及的不是旋轉的電子，而是偏振的光子，即光的粒子，那麼這個實驗將更加可行。就像電子的自旋方向一樣，光子的偏振可以相對於過濾器的方向呈現出兩種價值之一。例如，偏光太陽鏡可以阻擋單向偏光的光子，讓垂直方向偏光的光子透過。
最初，包括費曼在內的物理學家不鼓勵克勞
澤
繼續進行這個實驗，認為量子力學不需要進一步的實驗證明。但貝爾親自鼓勵克勞
澤
將研究進行到底，1972年，克勞
澤
和弗裡德曼成功地實現了貝爾的實驗。他們產生了一對糾纏的光子，並使用透鏡測量它們的偏振方向。
由於不確定他會發現什麼，克勞
澤還
下了一個2美元的賭注，賭他的實驗會證明愛因斯坦是正確的。令他驚訝的是，他的結果證明了貝爾的預測比愛因斯坦的預測更正確。光子的狀態以一種排除任何隱藏變數理論的方式出現了關聯。克勞
澤
輸掉賭注，但是量子力學的一個巨大勝利。
多年後，他在接受採訪時說：“看到我自己的實驗證明愛因斯坦是錯誤的，我非常難過。”但克勞
澤
的證據仍然不是鐵證如山。他的實驗使用了固定方向的透鏡，允許存在一個漏洞。如果協調光子偏振的隱藏變數以某種方式取決於透鏡的實驗位置，那麼愛因斯坦可能是對的。
現在到了阿斯佩的研究。他在法國巴黎進行了一系列越來越嚴格的貝爾試驗，最終在1982年完成了一個魔鬼般的複雜實驗。在該實驗中，透鏡的方向在光子從發射器飛向透鏡的十億分之一秒內會隨機改變。這樣一來，最初的透鏡配置就被抹去了，對在其發射的那一刻設定偏振的任何秘密過程都沒有影響。阿斯佩克再次發現有利於貝爾和量子力學的觀點。
只剩下最細微的漏洞了。一個在實驗開始時以某種方式設定的秘密和非隨機過程能否決定鏡片的更新方式？
塞林格
的研究進一步縮小了這一剩餘的一絲懷疑。在2017年的一項實驗中，他領導的團隊利用數百年前遙遠的恆星發出的光子的顏色來確定實驗的設定。如果有什麼宇宙陰謀在製造糾纏的假象，那麼它就必須在實驗者出生前幾個世紀就開始。
一些物理學家仍然堅持愛因斯坦的夢想的理論。例如，超決定論認為，宇宙命運的每一個細節，直到每一個粒子的自旋和偏振，在大爆炸時就已經完全固定了，在恆星即
塞林格
的宇宙貝爾試驗形成之前。
但大多數研究人員對貝爾、克勞
澤
、阿斯佩、
澤
林格和他們的團隊的工作只看表面價值。糾纏就是它看起來的樣子：這對粒子是一個統一的系統。對於每個單獨的粒子來說，像自旋和偏振這樣的屬性在測量的那一刻之前確實是無法定義的。換句話說，現實沒有固定和預定的狀態，直到你測量它。這是一個戲劇性的結論，大多數研究人員接受了這個結論，但仍在努力完全掌握。
“一個非常基本的問題，這到底意味著什麼樣的基本方式？- 是沒有答案的，這也是一個新的研究方向。
”
糾纏的應用
自愛因斯坦試圖透過強調糾纏的荒謬性來否定量子力學以來的近90年裡，這一現象已經遠遠超出了哲學辯論的素材。它是推動量子資訊科學領域蓬勃發展的主要引擎之一。物理學家現在開始明白，糾纏和貝爾對是一種量子資源，可以用它來實現驚人的新事物。
澤
林格是利用糾纏創造技術奇蹟的領軍核心人物之一。1997年，他的團隊率先完成了一項被稱為”
量子隱形傳態
“的壯舉，即利用對糾纏粒子的精確測量協議，將一個粒子的偏振方向轉移到另一個粒子上，而不需要了解被傳送的偏振方向。該技術可能在量子計算中發揮關鍵作用。”
澤
林格
在諾貝爾獎宣佈期間透過電話說：“它不像《星際迷航》電影或其他什麼東西，把某個東西，當然不是一個人，傳輸到某個距離。”問題是，利用糾纏，你可以將一個物體攜帶的所有資訊轉移到另一個地方，在那裡，這個物體可以說是被重組了。“
澤
林格
還開創了一種叫做糾纏交換的程式，涉及兩個糾纏的貝爾對的發射，總共有四個粒子。透過對其中兩個沒有糾纏的粒子進行特定的測量，剩下的兩個粒子就會彼此糾纏在一起。以這種方式將糾纏從一個粒子交換到另一個粒子，可以幫助連線量子通訊網路中的節點。
澤
林格團隊在1998年發表的一篇“具有里程碑意義”的論文中展示了在從未相互接觸過的光子之間交換糾纏的能力。
近年來，這種技術已經離開實驗室，進入了現實世界。潘建偉是
澤
林格的前學生，潘建偉是上面的“具有里程碑意義”的論文的第一作者。
潘建偉的中國團隊後來在2016年發射了“
墨子號”
衛星。“
墨子號”
將成對的光子傳送到相隔1000多公里的實驗室。
潘建偉團隊的測量結果證明，糾纏在旅程中也得以倖存。潘建偉團隊後來與
澤
林格團隊
合作，將成對的糾纏粒子穿過歐亞大陸。這種長距離的糾纏分發了一個秘密資訊，即所謂的”量子金鑰“，
任何竊聽和攔截資訊的嘗試都會破壞該資訊。
該演示為基本上牢不可破的密碼學鋪平
了道路，這將由經過全面測試的量子力學基礎來保證。