The Violation of Bell’s Inequality and the Development of Quantum Information Science｜ベルの不等式の破れと量子情報科学の開拓
定理：ベルの不等式の破れと量子情報科学の開拓（2022年ノーベル物理学賞）
歴史的重要性：
ベルの不等式の破れを実験的に実証したことで、量子力学における「量子もつれ（エンタングルメント）」の実在を示し、局所的実在論（局所的隠れた変数理論）の否定を明確にした。これにより、量子情報科学の基礎が確立され、量子コンピュータや量子暗号通信、量子テレポーテーションなどの革新的技術への道が開かれた。
発表者（2022年ノーベル物理学賞受賞者）：
- ジョン・F・クラウザー（John F. Clauser）
- アラン・アスペ（Alain Aspect）
- アントン・ツァイリンガー（Anton Zeilinger）
生年月日：
- クラウザー：1942年12月1日
- アスペ：1947年6月15日
- ツァイリンガー：1945年5月20日
出生地：
- クラウザー：アメリカ合衆国・カリフォルニア州パサデナ
- アスペ：フランス・アジャン
- ツァイリンガー：オーストリア・リート・イム・インクライス
主な論文（業績）：
ベルの不等式の実験的検証および量子もつれ現象の実証
発表年（代表的実験）：
- クラウザー：1972年（最初のベル不等式実験）
- アスペ：1982年（改良された精密ベル実験）
- ツァイリンガー：1997年（量子テレポーテーション実験）
発表場所（主な所属機関）：
- クラウザー：カリフォルニア大学バークレー校（アメリカ）
- アスペ：パリ第11大学（フランス）
- ツァイリンガー：インスブルック大学、後にウィーン大学（オーストリア）
受賞：
2022年ノーベル物理学賞（量子もつれを用いたベルの不等式破れの実験的証明および量子情報科学の開拓）
代表的な公式（CHSH型ベルの不等式）：
∣S∣=∣E(a,b)−E(a,b′)+E(a′,b)+E(a′,b′)∣≤2
公式の説明：
- E(a,b)：2つの観測設定（a,b）に対する相関関数
- a,a’：観測装置1の異なる測定設定
- b,b′：観測装置2の異なる測定設定
- 古典的（局所的実在論）理論では、上記の不等式が常に成立する。
- 一方、量子力学（量子もつれ）では、この不等式が破れ、最大で約2.828（2√2）までの値を取ることがある。
- クラウザー、アスペ、ツァイリンガーらの実験は、実際にこの不等式が破れることを高精度で確認し、量子もつれの存在を実証した。
親交の深かった科学者（関連研究者）：
- ジョン・スチュワート・ベル（John Stewart Bell、ベルの不等式の提唱者）
- アルベルト・アインシュタイン（Albert Einstein、量子力学の基礎的問題を提起）
- デイヴィッド・ボーム（David Bohm、量子力学の隠れた変数理論の研究者）
- ニールス・ボーア（Niels Bohr、量子力学の哲学的基礎に関する論争で重要な役割）
- エルヴィン・シュレーディンガー（Erwin Schrödinger、量子もつれを最初に指摘）
The Violation of Bell’s Inequality and the Development of Quantum Information Science
(2022 Nobel Prize in Physics)
Historical Significance:
The experimental demonstration of the violation of Bell’s inequality provided conclusive evidence for quantum entanglement and effectively ruled out local hidden-variable theories. This groundbreaking discovery laid the foundational principles of quantum information science, paving the way for revolutionary technologies including quantum computing, quantum cryptography, and quantum teleportation.
Laureates (2022 Nobel Prize in Physics):
- John F. Clauser
- Alain Aspect
- Anton Zeilinger
Date of Birth:
- John F. Clauser: December 1, 1942
- Alain Aspect: June 15, 1947
- Anton Zeilinger: May 20, 1945
Birthplace:
- John F. Clauser: Pasadena, California, USA
- Alain Aspect: Agen, France
- Anton Zeilinger: Ried im Innkreis, Austria
Major Achievements (Key Publications):
Experimental verification of Bell’s inequalities and demonstration of quantum entanglement phenomena.
Year of Key Experiments:
- Clauser: 1972 (First experimental test of Bell’s inequalities)
- Aspect: 1982 (Refined and improved Bell experiments)
- Zeilinger: 1997 (First demonstration of quantum teleportation)
Institution of Major Research:
- John F. Clauser: University of California, Berkeley (USA)
- Alain Aspect: Université Paris-Sud (now Université Paris-Saclay, France)
- Anton Zeilinger: University of Innsbruck, later University of Vienna (Austria)
Award:
2022 Nobel Prize in Physics
“For experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science.”
Representative Formula (CHSH form of Bell’s Inequality):
∣S∣=∣E(a,b)−E(a,b′)+E(a′,b)+E(a′,b′)∣≤2
Explanation of the Formula:
- E(a,b): Correlation function for measurement settings aa and bb
- a,a′: Different measurement settings of apparatus 1
- b,b′: Different measurement settings of apparatus 2
- According to classical (local realism) theories, the above inequality always holds true.
- Quantum mechanics, however, predicts a maximum value of approximately 2√2≈2.828, known as Tsirelson’s bound, clearly violating this inequality.
- Experiments by Clauser, Aspect, and Zeilinger confirmed this quantum prediction, demonstrating the reality of quantum entanglement.
Closely Associated Scientists:
- John Stewart Bell (originator of Bell’s inequality)
- Albert Einstein (posed foundational questions regarding quantum theory)
- David Bohm (proposed hidden-variable interpretations of quantum mechanics)
- Niels Bohr (engaged in fundamental debates on quantum mechanics)
- Erwin Schrödinger (first introduced the concept of quantum entanglement)