日期:2022/10/24   IAE 

2022諾貝爾物理學獎由法國學者阿斯佩（Alain Aspect）、美國學者克勞澤（John F. Clauser）及奧地利學者塞林格（Anton Zeilinger）共享殊榮，以表彰他們「用糾纏光子進行實驗，驗證違反貝爾不等式，開創了量子資訊學」，其中，阿斯佩曾受邀至台大物理系演講。

Experiments with entangled photons verified the violation of Bell's inequality and created quantum information science/用糾纏光子進行實驗，驗證違反貝爾不等式，開創了量子資訊學

諾貝爾物理學獎委員會主席伊爾貝克表示，「一種新的量子科技正在出現。我們可以看到，獲獎者對糾纏態的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題。」量子力學的效應正開始獲得應用，如今熱門研究領域包括量子電腦、量子網路及量子密鑰系統。

量子糾纏實驗 什麼是量子糾纏？
糾纏必須是我最重要的科學主題之一，這聽起來太離奇而不真實。 然而，無數的實驗已經驗證了它能夠在很遠的距離上關聯粒子屬性，並通過“遠距離的幽靈行動”導致值的崩潰，從我們的角度來看，這幾乎是瞬時的。 話雖如此，我對一些我以前從未聽說過的糾纏實驗以及涉及它們的新發現很感興趣。 這裡只是我發現的一些，所以讓我們仔細看看這個令人驚嘆的糾纏世界。What Is Quantum Entanglement?
Entanglement has to be one of my top science topics that sounds too fantastical to be real. Yet countless experiments have verified its ability to correlate particle properties over vast distances and cause a collapse of a value via “spooky action at a distance,” which from our vantage point seems nearly instantaneous. With that being said, I was interested in some experiments of entanglement I hadn’t heard of before and new findings involving them. Here are but a few that I found, so let’s take a closer look at the amazing world of entanglement.

量子物理學是今天科學家熱衷領域，但要應用量子，就必需要研發一套實驗，解釋量子力學，而量子力學的一個基礎是「量子纏結」（Quantum entanglement），它指處於糾纏態的兩個或多個粒子，即便分開很遠距離，有些狀態也會表現得像是一個整體。在1960年代，英國科學家貝爾（John Stewart Bell）發明了一套算式，今天稱為「貝爾不等式」，又叫「貝爾定理」，如果它始終成立，那麼量子力學可能被其他理論替代。

克勞澤則設計了一套實驗，利用光子糾纏成功證明可違反貝爾不等式。阿斯佩在克勞澤的基礎上，完善了整個實驗機制。塞林格則印證量子纏結的一個非常重要應用—量子可以隔空傳送（Quantum teleportation），這是利用一個量子，在可預測的情況下影響另一遠處的量子，這為設計應用量子力學的科技舖平道路。

Quantum teleportation/量子隱形傳態/Quantum teleportation moves into the third dimension/量子隱形傳態進入第三維度

中國和奧地利的物理學家首次展示了他們可以傳送多維光子狀態。他們使用通過三個空間狀態編碼的光子進行實驗，他們說他們的方案可以擴展到任意高的維度，並且是傳送粒子整個量子態的重要步驟。這項工作還可以改進用於量子通信和量子計算的技術。

量子力學禁止一個粒子的量子態被精確地複製到另一個粒子。但是隱形傳輸——相隔很遠的粒子之間狀態的瞬時轉移——提供了另一種選擇。該過程不涉及物質的物理轉移，並且會擦除要復制的粒子的狀態。

基本思想是 Alice 和 Bob 共享一對糾纏粒子（在量子密碼學的術語中，Alice 是消息的發送者，Bob 是接收者）。然後愛麗絲與她的一半糾纏對相互作用第三個粒子 - 處於未知狀態 - 測量相互作用的結果，然後通過經典通道告訴鮑勃結果。鑑於這些信息和對他那一半糾纏對的測量，鮑勃能夠計算出最初的未知狀態——這就是被傳送的狀態。

量子隱形傳態於 1993 年首次在理論上提出，此後已以許多不同的形式得到證明。它是使用單個光子、單個原子和捕獲離子的兩個能級狀態——以及其他量子物體——以及兩個光子來進行的。然後在 2015 年，合肥中國科學技術大學的 Chaoyang Lu、Jian-Wei Pan 及其同事展示了單光子之間的兩個自由度——自旋和軌道角動量的隱形傳態。

在最新的工作中，同一個小組與奧地利維也納大學的 Anton Zeilinger 及其同事合作，展示了高維狀態的隱形傳輸。正如 Lu 解釋的那樣，能夠轉移多個自由度只是挑戰的一部分。這是因為自然界中的粒子具有可以取許多可能值的屬性，而不是迄今為止實驗中使用的簡單二元狀態（量子位）。他說，即使是最簡單的原子——氫——也可能以四種不同的基態和許多激發態存在。

中研院物理研究所研究員陳啟東說，量子通訊傳訊速度大幅增快外，加密也讓他人無法竊聽，適用於銀行交易及軍事用途。

測量貝爾狀態
盧說，這樣做的主要困難是愛麗絲對要傳送的光子和她那一半糾纏對之間的“鐘態”的初始測量。 該測量要求兩個光子相互作用，但這種相互作用非常微弱。 他說，在處理二維時，有一種直接的方法可以解決這個問題，但對於更高的數字則不行。

考慮到每個光子可以以 1 或 0 的形式存在，在二維中存在四種可能的貝爾狀態：00+11、00-11、01+10 和 01-10。 因為這四種狀態中有三種是“對稱的”——這意味著切換兩個粒子會使組合波函數保持不變——可以明確地識別出第四種“不對稱”狀態，從而可以成功地傳送狀態。 然而，在三個維度中有九種可能的狀態，其中三種是反對稱的，而其餘的六種既不是對稱的也不是反對稱的。

為了克服這個問題，研究人員構建了一個複雜的線性光學組件網絡，將多個輸入與多個輸出連接起來。訣竅是利用四個不同的光子——一個被傳送，兩個被糾纏，一個額外的光子能夠成功進行貝爾態測量。光子由脈衝紫外激光產生，然後沿著三個不同的路徑分裂——代表三個維度——愛麗絲末端的三個光子然後相互干擾。記錄干涉儀輸出的探測器發出的咔嗒聲模式揭示了這三個光子是否已被投射到特定的貝爾狀態，因此可以用於隱形傳態。

在發表在 arXiv 上並在 Physical Review Letters 上接受發表的一篇論文中，Lu 和同事報告說，通過將輸入光子準備成已知的特定狀態並將它們與被傳送的光子（a隱形傳態實驗中的標準程序）。他們指出，這個 0.75 的保真度遠高於沒有糾纏的 0.5 的上限，以及僅使用量子比特可以達到的 0.66。

邁向更高維度
盧說，該方案可以很容易地擴大到四個、五個或更多維度，主要是通過添加更多的分束器，儘管他認為將組件集成到光子芯片上對於非常大的維度可能更實用。更一般地說，他的團隊現在正在尋求將這些更高維度與多個自由度結合起來，以嘗試傳送完整的粒子。 “如果我們想要傳送複雜的系統，這是一個必要的步驟，”他說。

，從技術上講，高維隱形傳態可用於擴展量子通信網絡——可能提供比使用量子比特實現的更高帶寬、更安全的中繼器。他認為，它還可能加速量子計算機內部的邏輯運算。更重要的是，他說，更高維的貝爾測試可以為愛因斯坦的局部實在論思想提供更嚴格的解釋，因為它們會在經典測量和量子測量之間產生更極端的差異。

Lu 及其同事並不是唯一展示高維隱形傳態的研究人員。同樣位於合肥中國科學技術大學的郭光燦及其同事也報導了在三維空間中傳送光子。他們的方案與盧的方案非常相似，但依靠兩個額外的光子來進行貝爾態測量，而不是一個。它們似乎也實現了略低的保真度——報告的數字“高於 0.63”。