为量子信息新技术扫清道路三名科学家分享2022年诺贝尔物理学奖

瑞典皇家科学院10月4日宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献。3人将平分90万美元奖金瑞典皇家科学院在当天发表的新闻公报中说，3位获奖者在量子纠缠实验方面都有重要贡献。量子纠缠是指，在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子，即便分开很远距离，有些状态也会表现得像是一个整体。他们的实验结果“为基于量子信息的新技术扫清了道路”，目前在量子计算、量子网络和量子保密通信方面已有大量相关研究。公报说，在量子力学的发展历程上有一个著名的贝尔不等式，如果它始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。为此，许多量子科学家一直在寻找违反贝尔不等式的验证，克劳泽提出了一个利用处于纠缠态的光子的实验，其结果可以违反贝尔不等式，阿斯佩进一步填补了克劳泽实验中的重要漏洞。蔡林格进行了更多实验，并且其团队还利用量子纠缠展示了量子隐形传态，即有关量子态的传输。阿斯佩1947年出生于法国，目前为法国巴黎—萨克雷大学和巴黎综合理工大学教授；克劳泽1942年出生于美国，目前就职于他自己在加利福尼亚州创始的一家公司；蔡林格1945年出生于奥地利，目前为奥地利维也纳大学教授。3名科学家将平分1000万瑞典克朗（约合90万美元，600万人民币）奖金。驳倒爱因斯坦，启动第二次量子科技革命所谓量子，是一个物理量不可分割的最小单位。量子力学诞生后，爱因斯坦等物理学家提出了质疑。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为“EPR”（三人姓名的首字母）的思想实验：制备A、B两个粒子的“圆”态，使它们在这一状态中的某个性质相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定；再将它们在空间上分开得很远（如几光年）；随后测量粒子A的这个性质。当测得A是“上”，那么测量者立刻就知道B的性质是“下”。在爱因斯坦看来，EPR思想实验是不可能实现的，一个粒子的性质发生变化，另一个与它处于纠缠态的粒子怎么可能瞬间“感应”到它的状态，从而发生变化？他把量子纠缠态称为“幽灵般的超距作用”。为了破解这个物理学界的“公案”，英国物理学家贝尔提出了贝尔不等式和贝尔定理，使EPR佯谬成为一个可以用实验检验的问题。20世纪80年代，阿斯佩利用已成熟的技术条件做了EPR实验。结果发现：处于量子纠缠态的两个粒子居然真的具有超时空关联！它们无论相隔多远，一个粒子的量子态确定时，另一个粒子的量子态也瞬间确定。阿斯佩的这项开创性工作，不仅驳倒了爱因斯坦，也启动了第二次量子科技革命。另一位获奖者克劳泽也对量子纠缠作出了重要贡献。半个世纪之前，克劳泽就与合作者在世界上第一次观察到量子纠缠，这也是第一次对违反贝尔不等式的实验观察，确定贝尔不等式在量子世界中并不成立。“所谓量子纠缠现象，就是两个共同来源的微观粒子，无论它们分开多远，一旦其中一个粒子发生变化，会立即影响到另一个粒子。好像一对孪生儿，彼此存在‘心灵感应’。”李政道研究所量子基础科学研究部的钟瑞丹认为，这种纠缠现象，别说对于老百姓，对于科研工作者也是很神奇的。3位科学家为量子信息科学奠定实验基础东南大学物理学院教授郭昊现任研究生《高等量子力学》课程主讲老师，他表示，3位科学家先后利用纠缠光子进行开创性实验，证实了量子现象不遵循贝尔不等式。郭昊介绍，3位科学家的研究成果回答了量子力学是否具有非定域性这一基本问题，也为量子信息科学奠定了实验基础。量子信息技术主要包括量子计算与量子通信，两者均与量子纠缠这一独特的量子现象密不可分。“最初，关于量子力学非定域性的讨论是纯哲学角度。后来，贝尔基于爱因斯坦等提出的EPR对概念以及隐变量理论将这一抽象的哲学思辨具体化为一个物理上可测的不等式，即贝尔不等式。”郭昊解释说，如果能够证伪贝尔不等式，则说明量子力学具有非定域性。3位科学家通过一系列精彩实验研究最终回答了这一问题，也为延续数十年的量子力学非定域性之争画上句号，而这一成果又为量子信息技术奠定了基础。郭昊告诉现代快报记者，在我国，中国科学院院士、中国科学技术大学的潘建伟教授是安东·蔡林格教授的高足，他在量子保密通信技术方面作出过很大贡献。同时我国还有很多活跃的量子信息研究团队，比如，清华大学的龙桂鲁教授，曾与合作者原创性提出了量子安全直接通信这一新型量子通信模式。（现代快报记者李楠 综合新华社 上观新闻 图片来自诺贝尔奖官网）