諾貝爾物理學獎授予量子力學愛因斯坦不相信上帝會擲骰子

2022-10-05 14:19:34

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北京時間10月4日17時45分，諾貝爾獎委員會公布了2022年物理學獎獲得者：阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、確立對貝爾不等式的違反和開創性的量子信息科學”方面的成就。

諾貝爾物理學委員會指出，他們的工作“為量子技術的新時代奠定了基礎”。委員會成員伊娃·奧爾森說，量子信息科學在安全信息傳輸和量子計算等領域具有廣泛的影響，是一個“充滿活力且發展迅速”的領域。

證明愛因斯坦錯誤

“他們三位獲獎是實至名歸。”圖靈量子創始人、上海交大集成量子信息技術研究中心主任金賢敏對《中國新聞周刊》說。他解釋，阿斯佩等三人是量子信息領域公認的開創者和先驅，這些實驗結束了愛因斯坦和舊量子論奠基人、丹麥物理學家尼爾斯·玻爾持續近百年的爭論。

20世紀20年代的量子力學革命就是在這場爭論中開啟。量子力學長期以來的核心理論難題是“遠距離的幽靈行動”問題，即為何兩個或多個粒子以所謂的糾纏態存在，更進一步闡述，糾纏對中的一個粒子發生的事情，就決定了另一個粒子發生的事情——即便它們相距很遙遠。比如，一個光子的偏振態是“向上”的，另一個光子的偏振態就必然是“向下”的，仿佛“心靈感應”。對此，愛因斯坦認為，糾纏對中的粒子包含了隱藏變量，即局部因果關系，因此量子力學形式是不完整的。顯然，愛因斯坦不相信上帝會擲骰子，玻爾則強烈反對這一結論。

1935年，愛因斯坦等更進一步提出了著名的EPR佯謬，核心觀點是：量子力學沒有提供對現實完整描述。1964 年，在歐洲核子研究中心工作的英國物理學家約翰·貝爾提出了著名的貝爾不等式，這一不等式的核心在于，如果存在隱藏變量，則大量粒子測量結果間相關性永遠不會超過某個值。如果能通過實驗驗證，測量結果違反了貝爾不等式，就意味著量子力學不能用局域隱變量理論來解釋，即證明愛因斯坦的認知是錯誤的。

后來事實表明，阿斯佩、克勞澤和塞林格都通過實驗驗證了違反貝爾不等式的情況，因此，三人早在2010年就共同獲得了世界物理學界最高成就獎之一的沃爾夫獎，獲獎理由是“他們對量子物理學基本概念和實驗的貢獻，特別是對貝爾不等式一系列日益復雜的測試或使用糾纏量子態對其擴展。”

克勞澤是世界上第一個對貝爾不等式驗證的科學家，他今年已經80歲了。1972 年，正在加州大學伯克利分校任職的他就與博士生斯圖爾特完成了世界上首次對違反貝爾不等式的實驗觀察。在哥大讀書期間，克勞澤的量子力學課還曾連續兩次獲得C, 又被迫重修了兩次。

這類早期實驗往往存在漏洞。1982年，還在讀博的阿斯佩改進了克勞澤的實驗，第一次真正意義上補上了漏洞，驗證了貝爾不等式并不成立。阿斯佩1947年出生在法國，先后在法蘭西學院和巴黎高等師范學院等任職，后來成為了法國國家科學研究中心的杰出名譽科學家。

中國科學院院士、中國科學院量子信息重點實驗室主任郭光燦對《中國新聞周刊》分析說，貝爾不等式是量子力學發展中一個非常重要的理論，這個理論之所以如此重要，是因為它對“量子力學是否正確”這樣的重大問題做出了一個判斷。而在驗證的所有實驗中，阿斯佩實驗又是其中最重要的一個，因為早期實驗漏洞太多，并不令人信服，但阿斯佩實驗第一次“用光學的方法真正把道理講清楚”，被學界所公認。實驗提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，沒有隱藏的變量，“幽靈肯定存在”。

“我1990年代到阿斯佩的實驗室參觀時遇到了他，他是個做學問很認真的人，他當時自己說，他的實驗仍有漏洞，但這并不影響實驗的結論。”郭光燦說。

實驗的漏洞被完全“堵上”要等到2015年，這是塞林格的工作。在一系列實驗中，他使用了距離源足夠遠、快速可切換的偏振器，還使用大約 600 年前恒星發出的光來進行測試，以盡可能減少“歷史性”中的隱藏變量。包括塞林格在內的多個團隊完成了“無漏洞”的貝爾不等式驗證。

塞林格1945年出生于奧地利，1971 年在維也納大學獲得博士學位，1999年加入維也納大學任教，后來成為奧地利科學院院長。值得一提的是，國內知名量子通信專家潘建偉1996年在奧地利攻讀博士學位時，就師從塞林格?，F在，塞林格團隊與中國科學院合作密切，參與了中科院主導的洲際量子通信實驗，在國際上首次實現北京--維也納兩地量子保密通信。

諾貝爾物理學委員會主席安德斯·伊爾貝克在頒獎時說，三位獲獎者各自使用“兩個粒子即使在分離時也表現得像一個單元”的糾纏量子態，進行了開創性實驗，實驗結果為基于量子信息的新技術掃清了障礙。“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”。

《星際迷航》中的“超時空傳輸”

這些開創性實驗的重要意義，不僅重新確認了量子力學糾纏態存在的基礎理論，而且開啟了第二次量子革命——量子通信技術誕生。

2022年諾貝爾物理學獎的公布現場，潘建偉團隊的“墨子號”也公開“亮相”，出現在介紹獲獎者成果的案例展示中。2016年8月16日，中國發射了全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，于2017年1月18日正式開展科學實驗，構建“墨子號”的基礎科學原理，就是塞林格團隊1997 年首次完成的量子隱形傳態實驗。“這可能是頒獎給塞林格的重要理由之一。”郭光燦解釋道。

什么是量子隱形傳態？

簡單來說，就是《星際迷航》中的超時空傳輸，即點對點的遠距離“傳送”，量子隱形傳態就是利用糾纏態傳輸量子信息。但值得注意的是，在這個過程中，傳輸的是兩個糾纏粒子的狀態，比如自旋狀態，而非粒子本身，比如把粒子Ａ的未知量子態傳輸給遠處的另一個粒子Ｂ，讓Ｂ粒子的狀態變成Ａ粒子最初的狀態。

金賢敏解釋說，當實驗人員想傳輸一個量子態時，先把這個初始量子態和量子糾纏對中其中一個粒子“碰一下”，“進行一系列操作”，再把操作結果發到糾纏對的另外一個粒子處，對其進行一定操縱和旋旋以后，“另外一個粒子就會和最初想傳輸的量子態一模一樣，也就是通過糾纏做一個橋梁，可以傳遞任意未知的量子態。”

1997年，塞林格首次在實驗中成功傳送了一個光子的自旋，相關成果于當年12月被發表在《自然》上，題為《實驗量子隱形傳態》。論文指出，量子隱形傳態是量子系統狀態在任意距離上的傳輸和重建，也是量子計算網絡的關鍵組成部分。幾年后，塞林格團隊又成功將秘密信息編碼成糾纏光子串，使竊聽者無法有效攔截這些信息。

在《實驗量子隱形傳態》一文中，27歲的潘建偉擔綱第二作者，該文后來還入選了《自然》的“物理學百年21篇經典論文”。“入選的這些論文中，前面20篇都拿到諾獎了，這是第21篇，今年也獲得了諾獎。”金賢敏說。金賢敏是潘建偉的學生，在博士求學期間，就在野外環境下開展了三年量子隱形傳態實驗。

郭光燦認為，這項工作的重要意義，在于首次實現了對粒子的“操縱”，而這是量子通信的基礎性工作。諾貝爾物理學委員會在頒獎時也說：“能夠操縱和管理量子態及其所有屬性層，使我們能夠獲得有著意想不到潛力的工具。”

潘建偉10月4日接受《知識分子》采訪時對塞林格的工作進行了總結：“他的工作直接推動了量子信息領域的發展，相當于起到了從量子基礎到量子信息領域的橋梁作用。”金賢敏指出，這種“量子態級別的高精度大規模操縱”，推動了以量子計算、量子通信、量子精密測量和量子成像為代表的一系列新技術的崛起。

目前，量子通信是唯一被證明無條件安全的通訊方式；量子計算則有著遠超傳統計算機的超快的并行計算能力。

現在，中國在量子通信技術上已經處于全球前列。2009年，潘建偉團隊與清華大學合作，在北京八達嶺與河北懷來之間實現了16公里的量子態隱形傳態，相當于此前世界紀錄27倍。2015年，潘建偉團隊進一步實現了單光子多自由度的量子隱形傳態，首次證明了一個粒子的所有性質在原理上都是可以被傳輸的，即完整意義上的量子隱形傳態。今年5月，潘建偉團隊利用“墨子號”首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸，向構建全球化量子信息處理和量子通信網絡又邁出了重要一步。

與此同時，全球各國都在搶占“量子賽道”。美國正在建造量子衛星鏈路，特朗普政府2018年啟動了美國量子行動計劃，計劃在2019~2023年在量子研究方面投入12.75億美元。2018年10月，歐盟也宣布了《量子旗艦計劃》，計劃在未來十年間在量子傳感器、量子通信與量子計算機領域投入10億歐元。法國宣布了一項規模高達18億歐元的量子技術五年投資計劃。據悉，中國量子國家實驗室投入規模預計在未來5~10年達到數百億元人民幣。下一步，中國量子通信技術發展將主要聚焦三個方向：量子通信安全性定量化、量子通信系統芯片化和小型化、完善量子網絡建設的方式和協議的更新。

在量子信息技術中，多位業內人士對《中國新聞周刊》指出，量子精密測量是最接近產業化與實用化的，通過量子態對外界進行測量，在精度上突破了經典力學的散粒噪聲極限。潘建偉曾在接受《中國新聞周刊》采訪時也指出，量子精密測量的用途很廣，包括時間、長度、溫度等尺度，他預計接下來的5到15年間，各式各樣的應用會陸續推出。

郭光燦表示，量子通信“最大的好處”是可以把量子節點聯結在一起，共同構成一個量子網絡，可以和量子計算融合在一起，這將是未來“有很大發展的一個方向”，但在當下，我們仍處在對節點的研究過程中，而在應用層面，最有前景的則是量子計算機。潘建偉說，在五年內，有信心能建造出“一些專用的量子模擬機來推動整個領域的發展”，而 10~15年后通用的量子計算會取得長足進展。

這些都是在不遠的未來即將發生的事情。而在更遠的時間的盡頭，“生命、宇宙以及任何事情的終極答案”是什么？

塞林格最喜歡的書是《銀河系漫游指南》，這本書中有一臺強大的超級計算機，對于上述問題，在經過長達750萬年運算與驗證之后，超級計算機吐出的最終答案是“42”。作為一位狂熱的水手，塞林格將他的船也命名為“42”。他說：“如果我們真正去深入了解為什么世界有量子力學，即42 的來源，我有一種感覺，我不相信量子力學是最終定論。”

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