在量子世界中，兩個“糾纏”的粒子，無論被分隔到多么遙遠，都可以保持聯系，并瞬時共享它們的物理狀態。愛因斯坦曾將這種神秘的現象稱之為“鬼魅般的超距作用”。

今年的諾貝爾物理學獎的三位獲獎人Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger各自利用糾纏量子態進行了開創性的實驗。他們的研究結果為目前為基于量子信息的新技術奠定了基礎。

貝爾不等式

現如今，與量子力學的應用有關的研究領域已經變得非常龐大，這包括量子計算機、量子網絡，以及安全的量子加密通信。這一進展的一個關鍵便是，量子力學允許兩個或多個粒子處于糾纏態中。

在很長一段時間里，物理學家都在思考，這種相關性是否與糾纏對中的粒子包含隱變量有關。所謂隱變量，指的是能告訴它們在實驗中應該給出什么結果的指令。

20世紀60年代，約翰·貝爾(John Stewart Bell)提出了以他的名字命名的數學不等式。這個不等式表明，如果存在隱變量，那么大量測量結果之間的相關性，將永遠不會超過某個值。然而，量子力學預測，某種類型的實驗將違反貝爾不等式，從而產生比其他情況更強的相關性。

量子力學的糾纏對可以比作一臺機器，它向著相反方向拋出反色的球。當鮑勃抓到一顆球，并看到它是黑色的時，他就立刻知道愛麗絲抓到了一顆白色的球。在一種使用隱變量的理論中，這些球總會包含著關于顏色的隱藏信息。但是，量子力學認為，這些球都是灰色的，直到有人看到它們時，其中一顆會隨機變成白色，另外一顆則變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實驗能夠區分這些情況。這類實驗已經證明了，量子力學的描述才是正確的。

開創性的實驗

Clauser延續了貝爾的想法，并進行了一項實際的實驗。當他進行測量時，結果顯然違反了貝爾不等式，從而支持了量子力學。這意味一個使用隱變量的理論無法取代量子力學。

John Clauser使用鈣原子，在他借助一種特殊的光照亮粒子后，鈣原子可以發射糾纏光子。他在兩邊分別安置了一個過濾器，來測量光子的偏振。經過一系列測量，他能夠證明它們違反了貝爾不等式。

在Clauser完成他的實驗之后，仍然有一些漏洞存在。Aspect對裝置進行了改進，從而彌補了其中的一個重要漏洞。利用他的裝置，他能夠在一個糾纏對離開它的源后切換測量設置，所以當它們被發射時存在的設置不會對結果產生影響。

Alain Aspect 開發了這項實驗，他用一種新的方法激發原子，讓它們以更高的速率發射糾纏光子。他還能夠在不同設置之間切換，因此這個系統不會包含任何可能影響結果的預先信息。

通過精密的工具和一系列的實驗，Zeilinger開始使用糾纏量子態。此外，他的研究小組還展示了一種被稱為量子隱形傳態的現象，使得在一定距離上將量子態從一個粒子移動到另一個粒子成為可能。

Anton Zeilinger后來對貝爾不等式進行了更多測試。他將激光對準一種特殊的晶體，創造了光子糾纏對，并使用隨機數在測量設置之間切換。一項實驗利用了來自遙遠星系的信號來控制過濾器，并確保信號不會相互影響。

這些研究和實驗為當前量子信息科學的密集研究奠定了基礎。能夠操縱和管理量子態及其屬性，使我們能夠發展出具有意想不到的潛力的工具。這是量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法的基礎。這些日益完善的工具使我們更加接近那些現實的應用。

第一次量子革命給我們帶來了晶體管和激光，現在，在這些用來操縱糾纏粒子系統的現代工具的幫助下，我們正在進入一個新的量子信息時代。