國立中興大學物理學系暨奈米科學研究所

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2022-10-04

2022 諾貝爾物理獎：實現讓一對光子互相糾纏的實驗方法

撰稿者：  陳信良 教授 （中興大學物理系）

今年的諾貝爾物理獎頒給三位在「量子資訊科學」有著重大貢獻的科學家：阿斯佩(Alain Aspect)、克勞澤(John F. Clauser)、與蔡林格(Anton Zeilinger)。他們以「實現讓一對光子互相糾纏的實驗方法」而得獎。他們在這方面的貢獻讓量子糾纏得以從純粹的理論走向有實際應用的「量子科技」，包含了需要量子糾纏的量子電腦與量子通訊。
截圖 2022-10-04 下午10.10.11
 
  • 量子糾纏究竟是什麼？
一般人要實際上了解量子糾纏的定義其實不是一件容易的事，因為首先要先了解一些基本量子力學的數學語言，才能去看懂量子糾纏的定義。對於沒有上過量子力學課程的人，我們可以透過一種「遊戲」來體會量子糾纏的威力。這個遊戲的規則如下：

事前準備：
A. 兩位玩家（以下稱為老王與小李），每一個人手上有一顆黑色與一顆白色的小球。
B. 第三方公正者－裁判，手上有著兩個硬幣。

遊戲步驟：
1. 裁判將手上兩個硬幣的其中一面朝上（可以兩顆硬幣的正面都朝上、反面都朝上、或是正反各一）
2. 將一顆硬幣遞給老王，另一顆遞給小李。
3. 老王與小李根據他們收到裁判的硬幣的正反面的資訊，來決定要給裁判黑球或是白球。
4. 裁判收到老王與小李的球之後，將球的顏色以及硬幣正反面的資訊記錄下來。
5. 回步驟 1

勝利條件：
做了很多次回合的遊戲之後，裁判觀察記錄好的數據，如果以下兩個條件都成立，則老王與小李獲勝。
I. 若老王與小李都從裁判那邊收到相同面向的硬幣時(例如都是正面朝上，或是都是正面朝下)，則老王與小李遞給裁判的球，顏色完全相同(即，兩人給的都是黑球，或是都是白球)。
II. 若老王與小李收到的是不同面向的硬幣(一位收到正面，另一位收到反面)，則老王與小李遞給裁判的球，顏色毫無關聯(即，有一半的機會相同顏色，有一半的機會不同顏色)。

限制：
a. 老王與小李在遊戲開始前，可以擬定任何作戰策略，但是遊戲一開始之後，兩方不得以任何方式做溝通。
b. 每一次決定硬幣的正反面必須是隨機的，且老王與小李不得事先取得未來回合硬幣正反面的資訊。

各位可以自己與朋友們進行以上遊戲看看，會發現不論怎麼想破頭，都無法贏得這個遊戲。如果只是要滿足「勝利條件I」，那非常簡單，老王與小李只要事先講好他們在每一個回合要出什麼樣的球就可以了(例如偶數回合都出黑色，奇數回合都出白色)。如果只是要滿足「勝利條件II」，那也很簡單，兩個人只要隨機出球就可以了。困難點在於要讓條件I與II同時達成。

如果老王與小李他們分享了一對量子糾纏的光子，那麼他們可以對自己手上的光子測量其偏振方向，測量的角度由裁判的硬幣面向來決定，而遞給裁判的球的顏色，則由測量結果來決定(例如水平偏振就遞給白球，垂直偏振就遞給黑球)。以這個方式，不論他們兩位距離多遙遠，即便在宇宙的兩端，他們仍然可以贏得遊戲。而這對用來決定黑白球的糾纏光子，似乎可以「瞬間知道」彼此收到的硬幣是不是相同的面向，從而「決定」要對測量做出什麼樣子的結果。愛因斯坦稱這種現象為「鬼魅般的超距作用」。
 

若要將本屆的諾貝爾物理學獎得主的知名研究成果與上述遊戲做連結，則克勞澤以設計出「量子糾纏可以贏得勝利、但古典物理無法贏得勝利」的遊戲聞名。由於光子在行進路上中，很容易與環境交互作用之後就消逝不見，無法被探測器偵測到，這種「漏洞」可以讓老王與小李「意外的」贏得遊戲，而阿斯佩設計出一系列的實驗方法，來為那些消逝不見的光子做記錄，使得老王與小李不會因為這種漏洞而贏得勝利。而蔡林格除了最近幾年完成一個相當著名實驗(以更加嚴謹的方式進行上述遊戲，確認糾纏光子贏得遊戲確實不是因為其他漏洞造成的)之外，他在1997年以實驗方式實現了「量子遙傳」的研究成果，也為當時量子科學界立下了一個里程碑。

認識2022諾貝爾物理獎：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/

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