2022年10月4日下午，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了法國(guó)科學(xué)家阿蘭?阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰?弗朗西斯?克勞澤以及奧地利科學(xué)家安東?塞林格。這三位科學(xué)家因通過光子糾纏實(shí)驗(yàn)確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創(chuàng)量子信息科學(xué)而獲獎(jiǎng)。

那么問題來了，量子糾纏（光子糾纏為量子糾纏的一種）是個(gè)啥？貝爾不等式又是個(gè)啥呢？且聽小編—一個(gè)不那么專業(yè)的理工博士—試著淺析一下。

關(guān)于量子糾纏的故事還得從玻爾和愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)本質(zhì)的爭(zhēng)論開始說起。

20世紀(jì)初，哥本哈根學(xué)派（玻爾、海森堡、泡利、玻恩等等）那幫人不是搞了個(gè)量子力學(xué)嘛，說微觀粒子的能量是離散的，而且微觀粒子還是概率分布的，粒子的狀態(tài)在我們觀察之前是沒有確定值的，只有測(cè)量的時(shí)候才會(huì)坍縮為一個(gè)確定值。

這一解釋直接讓大佬愛因斯坦無法接受。照玻爾的那種概率解釋，難道說你不看月亮，月亮就不存在嗎？?jī)扇说臓?zhēng)論由此開始。簡(jiǎn)單總結(jié)一下就是，玻爾說量子力學(xué)對(duì)，愛因斯坦說量子力學(xué)不對(duì)其實(shí)用不完備更合理，但是這么寫似乎更瑯瑯上口。

吵架吵了很多年，愛因斯坦終于在1935年祭出了自己的大招，聯(lián)合波多爾斯基和羅森在《物理評(píng)論》上聯(lián)合發(fā)表了一篇名為《能認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理世界的描述是完備的嗎?》的文章，這里面便提到了所謂的“量子糾纏”，當(dāng)然“量子糾纏”的名字是后來由風(fēng)流倜儻薛定諤起的。

第一篇就是愛因斯坦寫的量子糾纏，第二篇是玻爾回懟愛因斯坦的

兩篇論文題目甚至都一樣

比如說一個(gè)大粒子分裂成兩個(gè)完全一樣的小粒子，按照量子力學(xué)理論，測(cè)量之前兩個(gè)粒子的自旋應(yīng)該同時(shí)處于不確定的狀態(tài)，但是一旦測(cè)量，比如說我們測(cè)量得到粒子1自旋向上，那么哪怕粒子2處于宇宙盡頭，它也會(huì)在瞬間變成自旋向下。

那么這里就存在一個(gè)問題，粒子2本該是處于疊加態(tài)的，它是如何瞬間知道粒子1被測(cè)量并擁有確定狀態(tài)的呢？要知道，愛因斯坦的狹義相對(duì)論可是規(guī)定信息傳輸?shù)乃俣炔荒艹^光速的，這不是屬于鬼魅般的超距作用嗎？

對(duì)此，愛因斯坦認(rèn)為，兩個(gè)粒子在分開的時(shí)候，自旋就已經(jīng)擁有確定值，只不過里面存在一些變量我們不知道而已，也就是所謂的“隱變量”理論。 玻爾則堅(jiān)決認(rèn)為，兩個(gè)粒子在分開的時(shí)候，自旋就是同時(shí)向上和向下的，只有在我們測(cè)量的那一刻才擁有確定值。 這個(gè)爭(zhēng)論有點(diǎn)不講道理，因?yàn)闆]法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如果你在粒子分開的瞬間進(jìn)行測(cè)量，疊加態(tài)就會(huì)坍縮，自旋就會(huì)獲得確定的值，導(dǎo)致你無法確定到底是愛因斯坦的說法正確，還是玻爾的理論合理。

既然強(qiáng)攻不成，那么我們能不能采取迂回的方式來解決這一爭(zhēng)論呢？

這時(shí)候，北愛爾蘭的物理學(xué)家貝爾站了出來，說：“可以！”

讓我們重新審視一下粒子的自旋。所謂自旋向上或者向下，完全是按照測(cè)量方向去定義的。比如說，一個(gè)粒子分裂了，在豎直方向上，如果我們測(cè)量粒子1得到的自旋方向向上，那么測(cè)量粒子2得到的必然就是方向向下。

但如果這個(gè)時(shí)候我們不按套路出牌，非要去測(cè)量粒子2沿水平方向的自旋，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，沿水平方向，粒子2有50%的概率自旋向上，有50%的概率自旋向下。

事實(shí)上，如果粒子1的自旋方向向上，并且假設(shè)粒子1和粒子2的測(cè)量方向夾角為θ，貝爾經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果量子力學(xué)（玻爾）正確，那么粒子2同樣被測(cè)量得到自旋向上的概率為cos2(θ/2)，如果隱變量理論（愛因斯坦）正確，那么粒子2同樣被測(cè)量得到自旋向上的概率為1-θ/π（θ取弧度制）。 兩條曲線不一樣，貝爾微微一笑，這不就找到突破口了嗎？只要我們制造糾纏粒子對(duì)，改變測(cè)量方向的夾角，然后測(cè)量概率，描點(diǎn)，看看曲線到底符合哪個(gè)函數(shù)，不就齊活了嗎？ 不過吧，上面的思路雖然理論上可行，可糾纏的粒子對(duì)不是實(shí)驗(yàn)室的溶液，想多少做多少，做出那一條曲線不知道要花多少錢多少時(shí)間。 貝爾也考慮到了這一點(diǎn)，于是便有了貝爾不等式。

其中Pxz表示的就是粒子沿x和z方向同時(shí)自旋向上或者向下的概率，Pzy表示的就是粒子沿z和y方向同時(shí)自旋向上或者向下的概率，Pxy表示的就是粒子沿x和y方向同時(shí)自旋向上或者向下的概率。

當(dāng)然貝爾不等式不僅僅適用于粒子，它適用于我們生活中的方方面面。而且貝爾不等式在經(jīng)典世界中永遠(yuǎn)成立，而在量子世界中則不成立。

這樣操作下來，我們就只需要制造三個(gè)糾纏量子對(duì)，一組測(cè)量x和z方向，一組測(cè)量z和y方向，一組測(cè)量x和y方向，多次測(cè)量獲得概率值Pxz，Pzy和Pxy，代入不等式就可以確認(rèn)貝爾不等式是否成立。

阿蘭?阿斯佩于1982年發(fā)表在PhysicalReview Letters上的關(guān)于貝爾不等式實(shí)驗(yàn)的論文

阿蘭?阿斯佩于1982年把自己關(guān)于糾纏光子對(duì)的實(shí)驗(yàn)發(fā)表在了物理學(xué)頂刊Physical Review Letters上。結(jié)果自然不言而喻，貝爾不等式不成立的，也就是隱變量不存在，量子力學(xué)正確，否則我們今天的學(xué)生也就不需要被量子力學(xué)折磨了。

貝爾不等式對(duì)量子力學(xué)是個(gè)巨大考驗(yàn)，量子力學(xué)不但經(jīng)受住了這一考驗(yàn)，如今更是被認(rèn)為是有史以來最精確的理論之一。 可惜，量子力學(xué)是如此反直覺，以至于到現(xiàn)在仍然沒有一個(gè)人能夠真正理解，甚至連物理學(xué)家都說“世界上沒有人真的懂得量子力學(xué)”。于是，小編對(duì)于自己學(xué)不懂量子力學(xué)的無知也就釋然了。

編輯：黃飛