10月4日，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·塞林格，以表彰他們為糾纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創性的量子信息科學所作出的貢獻。
阿蘭·阿斯佩（左）、約翰·克勞澤（中）、安東·塞林格（右）。圖片來源：諾貝爾獎官網
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獲獎的量子糾纏到底是個啥
「遇事不決，量子力學」，現代物理學裡，論起最被人熟知的領域，量子力學毫無疑問是第一名。
在所謂的「糾纏對」中，一個粒子發生的事情，會決定另一個粒子發生的事情（不管相距多遠）。這意味著什麼？
量子力學的基礎不僅僅是一個理論或哲學問題。其與全世界正密集研發的、以利用單個粒子系統的特殊屬性來構建的量子計算機、改進測量、量子網絡以及量子加密通信，都能息息相關。
以上應用，均需依賴於量子力學如何允許兩個或多個粒子以共享狀態存在，甚至無論它們相隔千山萬水，均能保持這一狀態。
這被稱為「糾纏」。
糾纏示意圖
自從該理論提出以來，它一直是量子力學中爭論最多的元素之一。阿爾伯特·愛因斯坦說這是「幽靈般的超距作用」，而埃爾溫·薛丁格說這是量子力學最重要的特徵。一位叫做貝爾的物理學家還提出了貝爾不等式：如果能證明這個不等式在量子世界中成立，那麼愛因斯坦就是對的，量子力學是不完備的；如果不成立，那麼量子力學就取得了勝利。
既然爭論不斷，這就需要三位諾獎得主登場了——首先登場的是約翰·克勞澤，他建造了一個精巧的儀器，能夠同時發出兩個相互糾纏的光子，最後通過實驗得出了一個明顯違背貝爾不等式的結果。
然而，克勞澤的這個實驗卻被發現存在一個特殊的實驗漏洞，並不具有說服力。還好，當時還是博士生的阿蘭·阿斯佩在克勞澤的基礎上改進了實驗裝置，修復漏洞後，發現實驗結果並沒有改變：貝爾不等式在量子世界不成立！
在此之後，無數物理學家為完善這一實驗結果繼續努力，安東·塞林格就是重要一員，他帶領的團隊最終彌補了隨機性等漏洞，給出了量子力學違背貝爾不等式的決定性證明。
塞林格的貢獻不止於實驗驗證貝爾不等式，他還發現糾纏的量子態具有存儲、傳輸和處理信息的潛力，將量子糾纏從理論推向了應用。
今年的獲獎者們，探索了這些糾纏的量子態，他們的實驗為基於量子信息的新技術掃清了障礙，為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。
面對愛因斯坦的質疑，歷經數十年時間，從克勞澤到阿斯佩再到塞林格，一代代物理學家終於用確鑿的實驗數據證明，量子糾纏是存在的，勝利屬於量子力學。
三位諾獎得主小簡歷
現年75歲的阿蘭·阿斯佩是法國物理學家、巴黎薩克萊大學和巴黎綜合理工學院教授、法國科學院院士，同時也是香港城市大學香港高等研究院高級研究員。
約翰·克勞澤1942年12月出生於美國加利福尼亞州，是美國知名實驗物理學家和理論物理學家。
安東·蔡林格現年77歲，是奧地利量子物理學家、維也納大學物理學教授、奧地利科學院量子光學與量子信息研究所高級科學家。
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背後的中國科學家貢獻
得知諾獎再次授予量子科技領域的研究者，中國科技大學常務副校長、中科院院士潘建偉感到非常振奮。他說：「一方面，量子科技領域得到了肯定；另一方面，頒獎委員會在介紹獲獎者的工作時，提到了很多中國科學家所做的工作。我們覺得，為了這個領域的發展，中國科學家也作出了傑出貢獻。」
作為安東·塞林格的學生，頒獎委員會提到的安東·塞林格的研究工作，潘建偉院士是最主要的參與者之一。「頒獎委員會提到了我導師安東·塞林格的四篇量子通信實驗文章。我是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者。」潘建偉說。
同時，「頒獎委員會還提了另外三篇文章，而這三篇文章都是中國科學家獨立開展的研究工作。所以，從這一點講，我不僅是加入了塞林格的研究團隊，也參與了開創量子信息物理學這個領域，我感到很幸運。」潘建偉說。
更重要的是，「在把獲獎科學家的夢想變成現實的過程中，中國科學家也作出了很大的貢獻。」在這方面的成績讓潘建偉感到很驕傲。
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量子力學應用廣闊
量子力學現已開始得到應用，並產生了很廣闊的研究領域，其包括量子計算機、量子網絡和更為安全的量子加密通信。
從實踐的角度來說，量子糾纏所代表的，其實是一個巨大資源。科學家們對量子糾纏漏洞的不滿，正源於每一階段可應用範圍的不夠。
諾貝爾物理學委員會主席安德斯·伊爾貝克這樣總結道：「越來越清楚的是，一種新型的量子技術正在出現。我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作非常重要，甚至超出了關於量子力學解釋的基本問題。」
近年來，我國也高度重視量子信息科技的發展，在量子信息科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術，產出了一批具有重要國際影響力的成果。
「總體而言，我國在量子通信的研究和應用方面處於國際領先地位，在量子計算方面與發達國家處於同一水平線，在量子精密測量方面發展迅速。」潘建偉說。
他表示，量子通信的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星平台的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路線。
我國的城域量子通信技術已初步滿足實用化要求，我國建成了國際上首條遠距離光纖量子保密通信骨幹網「京滬幹線」，在金融、政務、電力等領域開展遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示範。在衛星量子通信方面，我國研製並發射了世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，在國際上率先實現了星地量子通信，首次實現了洲際量子通信，充分驗證了基於衛星平台實現全球化量子通信的可行性。
量子計算研究的核心任務是多量子比特的相干操縱。當前，量子計算研究已經實現「量子優越性」，即量子計算機對特定問題的計算能力超越傳統超級計算機，達到這一目標需要約50個量子比特的相干操縱。
2020年，潘建偉和陸朝陽等學者研製成功76個光子的量子計算原型機「九章」，推動了全球量子計算的前沿研究達到一個新高度，繼谷歌「懸鈴木」量子計算機之後，我國首次成功實現「量子計算優越性」的里程碑式突破。
然而，「我國在量子精密測量領域起步較晚，整體上相比發達國家存在一定的差距，但近年來已經迅速縮小了差距，在若干研究方向上與公開報導的國際最高水平相當。」潘建偉說。
諾貝爾物理學獎小知識
諾貝爾物理學獎是阿爾弗雷德·諾貝爾在其遺囑中提到的第一個獎項。從1901年至2021年，諾貝爾物理學獎已頒發過115次，其中47次授予單一獲獎者，32次由兩位獲獎者分享，36次由三位獲獎者分享。
截至2021年，共有219位諾貝爾獎物理學獎獲得者。其中，美國科學家約翰·巴丁是唯一曾在1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學獎的獲獎者，這意味著共有218人曾獲得諾貝爾物理學獎。
最年輕的諾貝爾物理學獎得主是勞倫斯·布拉格，他1915年和父親亨利·布拉格共同獲獎時年僅25歲。最年長的諾貝爾物理學獎得主是亞瑟·阿斯金，他2018年獲獎時已96歲。
在諾貝爾六大獎項中，物理學獎是女性獲獎人次第二少的獎項，只多於僅有2位女性獲獎的諾貝爾經濟學獎。截至2021年，共有4名女性曾獲得諾貝爾物理學獎，分別是瑪麗·居里（1903年獲獎，1911年獲諾貝爾化學獎）、瑪麗亞·梅耶（1963年獲獎）、唐娜·斯特里克蘭（2018年獲獎）、安德烈婭·蓋茲（2020年獲獎）。
據人民網報導，諾貝爾物理學獎主要集中四個領域：粒子物理、天體物理、凝聚態物理、原子分子及光物理。但2021年的諾貝爾物理學獎首次頒給了氣候學家真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼，以表彰其在「地球氣候建模、量化氣候變化以及對全球變暖的可靠預測」方面的貢獻；喬治·帕里西因「在從原子到行星尺度的物理系統中發現了無序和漲落的相互作用」同獲當年獎項。
來源：科普時報
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