2019诺奖-物理:检验贝尔不等式的三位科学家分享2019年诺贝尔物理奖-深度-知识分子

2019诺奖-物理:检验贝尔不等式的三位科学家分享2019年诺贝尔物理奖

2019/10/08
导读
2019年诺贝尔物理学奖获得者:Alain Aspect 2019年诺贝尔物理学奖获得者:John Francis Clauser 2019年诺贝尔物理学奖获得者:Anton Zeilinger 启蒙·探索·创造 如果你拥有一颗好奇心 如果你相信世界是可以理解的 投稿、授权等请联系

2019年的诺贝尔物理学家授予Alain Aspect教授、John Francis Clauser教授以及Anton Zeilinger教授,以表彰他们对量子物理学基础的基本概念和实验上的贡献,尤其是在验证贝尔不等式方面先驱性的工作。

Alain Aspect

Alain Aspect 1947年出生于法国西南部阿基坦地区的阿根镇。他毕业于法国的一所地区性大学。作为国家服务的一部分,他还在非洲的喀麦隆教了三年书。


2019年诺贝尔物理学奖获得者:Alain Aspect


最初在1935年,爱因斯坦,Boris Podolsky和Nathan Rosen发表了一篇著名的论文,质疑量子力学形式主义的完备性。他们认为,测量纠缠的一对粒子的其中一个不会影响到另外一个粒子的状态。但直到1964年,理论学家John Stewart Bell,发现了后来以他名字命名的不等式,使得可以从实验上检测“局域实在论”的预测。
 
“局域实在论”认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。此后,科学家做了很多检测实验。第一个实验是1972年加州伯克利的研究人员进行的,然后哈佛、德州农工大学的科研人员相继进行实验,但这些实验都不够令人满意,存在一些漏洞(loopholes)。
 
贝尔认为,最基本的漏洞是局部漏洞(locality loopholes),并设想了测量的实验方法解决这个漏洞。这就是1982年,Alain Aspect所做的工作。
 
当时他是一名讲师,做博士论文的课题时,他带领团队进行的实验证实了贝尔定理的正确性,表明爱因斯坦,Boris Podolsky和Nathan Rosen的量子力学的“荒谬”,也就是当两个粒子被任意大的距离分开时,“远距离的幽灵作用”,在现实中似乎已经实现了。两个粒子的波函数之间的相关性仍然存在,因为它们曾经是相同波函数的一部分,而在测量其中一个子粒子之前是没有受到干扰的。
 
Aspect的实验装置是双通道类型,其中光源被分成两束,然后通过随机设置的偏振器通过。当随后测量两个光束的极性时,发现它们在统计学上是相关的。
 
不过,由于当时的技术局限,当时的偏振片的方向选择并不是随机的。1998年时,Innsbruck大学的研究人员使用了真正随机数产生器做了实验,观察到几十个标准偏差违背了贝尔不等式。此后的2013年,研究人员又相继排除了另外一个“测量漏洞”(detection loophole),排除了公平取样这一假设的需要。不过,这两个漏洞都是单独被解决的。
 
2015年,荷兰代尔夫特理工大学的Ronald Hanson,奥地利维也纳大学的Anton Zeilinger以及在科罗拉多州的博尔德的NIST的Lynden Shalm领导的研究团队在一次实验中将两个漏洞一起关闭。Aspect形容是一个伟大的成就。
 
此后,研究者继续尝试关闭其它的漏洞。最近由西班牙光子科学研究所的Morgan Mitchell领导的称之为大贝尔检验(BIG Bell Test)的国际合作研究表明,人类的自由意志可以用来关闭“选择自由的漏洞”。这是通过从人类而不是随机数生成器收集随机决策来实现的。该实验招募了大约100,000名参与者,以便使其具有统计学意义。
 
在检验贝尔不等式的工作完成后,他转向激光冷却中性原子的研究,许多实验与玻色~爱因斯坦凝聚体有关。
 
2015年,他被选为英国皇家学会外籍会员时,对他的成就有如下介绍:
 
“(授予这个会员是因为)他在量子光学和原子物理学方面的基础实验。Alain Aspect是第一个在实验演示中排除测量站之间的超光速通信,让量子力学使可分离的隐变量理论失效,也是第一个在实验上演示了单光子的波粒二象性。他与人共同发明了速度选择性相干群体捕获技术,是第一个在相同条件下比较费米子和玻色子的Hanbury Brown-Twiss相关性,并且首次证明了Anderson在超冷原子系统中的定位。他的实验阐明了单光子,光子对和原子的量子力学行为的基本方面。”
 
Aspect是巴黎著名的国家科学研究中心(CNRS)的研究主任。Aspect还在Institutd'Optique担任AugustinFresnel主席,同时也是巴黎ÉcolePolytechnique的教授。他还获得了2010年沃尔夫物理奖、2012年的爱因斯坦奖章等荣誉奖励。

John Francis Clauser

约翰·弗朗西斯·克劳瑟(John Francis Clauser),1942年12月1日出生于加利福尼亚州帕萨迪纳,是美国理论和实验物理学家,以对量子力学的基础,特别是克劳瑟—霍恩—希蒙尼—霍尔特不等式的贡献而著称。


2019年诺贝尔物理学奖获得者:John Francis Clauser

 
1964年,他获得加州理工学院理学学士学位,1966年,他在哥伦比亚大学获得了物理学硕士学位,三年后获得物理学博士学位。
 
从1969年到1996年,他主要在劳伦斯伯克利国家实验室,劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及加利福尼亚大学伯克利分校工作。
 
2010年,“由于他们对量子物理学基础的基本概念和实验上的贡献,特别是使用纠缠量子态对Bell不等式或其扩展进行的一系列日益复杂的测试”,Clauser与Alain Aspect、Anton Zeilinger一起在获得了沃尔夫物理学奖。
 
1972年,他与Stuart Freedman合作,对CHSH-Bell定理的预测进行了首次实验检验。这是世界上第一个量子纠缠观察,也是第一个违反贝尔不等式的实验观察。
 
1974年,他与迈克尔·霍恩(Michael Horne)合作,首先证明了贝尔定理的推广为所有自然的局域实在理论(又称客观局域理论)提供了严格的约束。这项工作引入了克劳瑟-霍恩(CH)不等式,这是局域实在论设定的第一个完全通用的实验要求。此外,还引入了“ CH不增强假设”,因此CH不等式化为CHSH不等式,并且相关的实验检验也限制了局域实在论。
 
同样在1974年,他首次对光的亚泊松统计进行了观测(这违反了经典电磁场的柯西-舒瓦兹不等式),从而首次证明了光子具有明确的类粒子特征。1976年,他对CHSH-Bell定理预测进行了世界上的第二次实验测试。

 Anton Zeilinger

安东·齐林格(Anton Zeilinger)1945年出生于奥地利,是一位量子物理学家,目前是维也纳大学物理学教授,也是奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的高级科学家。他的大部分研究涉及量子纠缠的基本方面和应用。


2019年诺贝尔物理学奖获得者:Anton Zeilinger


齐林格是量子信息领域和量子力学基础领域的先驱之一。他首次意识到许多重要的量子信息协议,包括独立量子比特的量子隐形传态,纠缠交换(即纠缠状态的远距传送),超密集编码(这是实验中有史以来第一个基于纠缠的协议),基于纠缠的量子密码学,单向量子计算和盲量子计算。他对量子力学的实验和概念基础的进一步贡献包括多粒子纠缠和从中子到大分子如富勒烯的物质波干扰。

齐林格曾在维也纳技术大学和因斯布鲁克大学任职,也曾在麻省理工学院(MIT),柏林洪堡大学,默顿学院,牛津和巴黎法国学院(Chaire Internationale)担任访问职位。
 
齐林格获得的奖项包括2010年的沃尔夫物理学奖,IOP的首届艾萨克·牛顿奖章和费萨尔国王国际奖。2008年,他获得物理研究所(英国)首届艾萨克牛顿奖章时,称他对“量子物理基础的开创性概念和实验贡献,量子物理已成为快速发展的量子信息领域的基石”。
 
2005年,齐林格被英国报纸《新政治家》选为“十个可以改变世界的人”。他是七个科学研究院的成员。自2006年以来,齐林格是奥地利科学技术研究院董事会副主席,这是一项由他提议发起的雄心勃勃的项目。2009年,他创立了特拉肯基兴国际学院,该学院致力于为有才华的学生提供科学和技术支持。他是道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)的《旅行者指南》(The Guide of the Galaxy)的粉丝,甚至将他的帆船命名为42。

参考资料

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Alain_Aspect

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/John_Clauser

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Anton_Zeilinger

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement#cite_note-hanson-30

[5] Viewpoint:Closing the Door on Einstein and Bohr’s Quantum Debate,https://physics.aps.org/articles/v8/123

[6] B. Hensen etal., “Loophole-free Bell Inequality Violation Using ElectronSpins Separated by 1.3 Kilometres,” Nature 526, 682 (2015).

[7] M. Giustina etal., “Significant-Loophole-Free Test of Bell's Theorem withEntangled Photons,” Phys. Rev. Lett. 115, 250401 (2015).

[8] L. K. Shalm etal., “Strong Loophole-Free Test of Local Realism,” Phys.Rev. Lett. 115, 250402 (2015).

[9]  The BIG Bell Test Collaboration (9 May 2018)."Challenging local realism with human choices". Nature. 557 (7704):212–216.arXiv:1805.04431. doi:10.1038/s41586-018-0085-3. PMID 29743691.


赛先生

启蒙·探索·创造

如果你拥有一颗好奇心

如果你渴求知识

如果你相信世界是可以理解的

欢迎关注我们

投稿、授权等请联系

saixiansheng@zhishifenzi.com

参与讨论
0 条评论
评论
暂无评论内容
知识分子是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想。
订阅Newsletter

我们会定期将电子期刊发送到您的邮箱

GO