为量子信息时代奠定基础

量子力学从20世纪初诞生以来，催生了晶体管、激光等重大发明，这被科学界称为第一次量子革命。近年来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命正在兴起。今年的诺贝尔物理学奖的获奖者，探索了纠缠的量子态，他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍，为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。

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·塞林格，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”方面做出的贡献。2010年他们就曾因量子纠缠领域的成就而同获沃尔夫物理学奖，12年之后的今天，他们又因量子信息科学技术方面的贡献而同获诺贝尔物理学奖。

什么是量子纠缠

如果量子力学描述的现象正确的话，两个用户A和B，无论间隔的空间和时间有多远，他们之间永远能产生关联。科学家对量子纠缠有一个通俗的解释：在浩瀚的宇宙中有一种现象似乎颠覆了自然法则，如果把两个粒子放到一起配对后，再把两个粒子分开，一个放在实验室，而另一个放在宇宙空间，此时神奇的事情就发生了。即使放在宇宙空间的粒子与地球上的粒子距离数百光年，也能相互关联。此时，科学家将地球上的一个粒子向左旋转，那么，宇宙空间的另一个粒子会同时向右旋转，不受地球与宇宙空间的距离限制。这就是神奇的量子纠缠现象。

爱因斯坦与玻尔的争论

量子纠缠是量子力学中最具争议的问题之一，不同学派的科学家对量子纠缠这样的诡异物理现象有着不同的解释，典型代表就是爱因斯坦和玻尔的争论。20世纪30年代，爱因斯坦与以玻尔为首的哥本哈根学派，就量子力学的根本问题展开了一场旷日持久的大辩论，其中争论的一个核心问题就是量子纠缠现象。

爱因斯坦认为，量子纠缠不可能让两个粒子超越空间进行瞬时作用。为了反驳量子纠缠那魔鬼般的超距作用，爱因斯坦举了这样一个例子：把一双手套分别装入两个外观完全相同的盒子里，做无差别的打乱之后，随机挑选一个放在家里，另一个放到南极大陆，倘若这时候我们打开家里的盒子，发现里面装的是左手手套，那么南极的那个盒子即使不用打开，我们也能确定它为右手手套。爱因斯坦认为量子纠缠本质上是一个粒子被分割成两个粒子后形成的纠缠现象，它们各自的状态在分离后的那一瞬间就被决定好了，这样一来，量子纠缠就不能超越光速了，没有违背他的相对论。在很长一段时间里，以爱因斯坦为代表的部分物理学家对量子纠缠持怀疑态度，爱因斯坦称其为“鬼魅般的超距作用”。他们认为量子理论是“不完备”的，纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递，也就是“隐变量”。

但是玻尔却不这样认为。作为量子力学哥本哈根学派的创始人，玻尔不赞成爱因斯坦的这种解释。实验结果证明，量子纠缠并不像爱因斯坦所认为的那么简单。科学家通过在不同方向对同一个纠缠粒子展开多次测量发现，远在异地的另一个纠缠粒子的自旋方向会随着测量方向的不同而发生改变。如果按照爱因斯坦的说法，只要第一次测量的纠缠粒子自旋为下，那么远在异地的另一个纠缠粒子的自旋就必然为上，而且第二次、第三次一直到第无数次的测量都应该是这个结果，但是实验结果却并非如此。爱因斯坦根本不相信年轻的玻尔的研究，直到他1955年去世，都一直认为量子力学是不完整的。

1964年，物理学家约翰·贝尔提出可用来验证量子力学的“贝尔不等式”。通过验证这个不等式可以得出量子纠缠背后到底有没有一个未知的、我们不了解且不可测量的新世界或者新现象干预着粒子之间的相互作用，进而导致我们的自然世界出现了像量子纠缠这样神奇的“表象”。如果能通过实验验证贝尔不等式成立，那么就是爱因斯坦获胜了；如果实验结果证明贝尔不等式不成立，那么就是玻尔赢了。

用实验证明量子力学的正确性

美国科学家约翰·克劳泽是世界上第一位对贝尔不等式进行验证的科学家。约翰·克劳泽1942年12月出生于美国加利福尼亚州，是美国知名实验物理学家和理论物理学家。1964年，他获得了加州理工学院的物理学学士学位，1969年获得哥伦比亚大学物理学博士学位。1972年，正在加州大学伯克利分校任职的克劳泽与博士生斯图尔特完成了世界上首次对违反贝尔不等式的实验观察。为了对贝尔不等式进行验证，他们设计了相关实验，使用特殊的光照射钙原子，由此发射纠缠的光子，再使用滤光片来测量光子的偏振状态。经过一系列测量，克劳泽能够证明实验结果违反了贝尔不等式，且与量子力学预测相符。

但这类早期实验往往存在漏洞，原因包括实验装置在产生和捕获粒子方面效率较低、滤光片处于固定角度等。在此基础上，法国科学家阿兰·阿斯佩设计了新版本的实验，测量效果更好。现年75岁的阿兰·阿斯佩是法国物理学家、巴黎萨克雷大学和巴黎综合理工学院教授、法国科学院院士，同时也是香港城市大学香港高等研究院高级研究员。1982年，还在攻读博士学位的阿斯佩改进了克劳泽的实验，第一次真正意义上补上了漏洞，验证了贝尔不等式并不成立，并提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，且没有“隐变量”。

1997年，由安东·塞林格领导的因斯布鲁克大学研究组，首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证。次年，他们让光子飞出相距400米，这一实验使得“将量子态从一个粒子转移到远处的一个粒子”成为可能。塞林格后来对贝尔不等式进行了更多的实验验证。其中一项实验使用了来自遥远星系的信号来控制滤波器，确保信号不会相互影响，进一步证实了量子力学的正确性。塞林格现年77岁，是奥地利量子物理学家、维也纳大学物理学教授、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。值得一提的是，塞林格不仅是中国科学院院士潘建伟的博士导师、中国科学院的外籍院士，他还一直在积极推动国际交流与合作，对中国量子科技发展也保持着关注和支持。自1983年起，他与中国科学院以及中国工程院等机构长期保持着沟通和交流，受聘为中国科学技术大学、南京大学、西安交通大学的名誉教授。目前，塞林格团队与中国科学院合作密切，参与了中国科学院主导的洲际量子通信实验，在国际上首次实现北京—维也纳两地量子保密通信。

量子力学从理论走向现实

克劳泽通过实验验证贝尔不等式不成立支持了量子力学，也就意味着量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代；阿斯佩进一步发展了这一实验，弥补了重要的漏洞；塞林格则开始使用量子纠缠态，他的研究小组还证明了一种被称为量子隐形传态的现象，它可以将量子态从一个粒子移动到远距离的另一个粒子。

三位获奖科学家的研究价值主要有两方面：一是证明了量子具有纠缠性，也就是证明量子力学是正确的，这也纠正了爱因斯坦的一个错误；二是他们的开创性实验，为今后量子信息技术尤其是量子通信的发展铺平了道路。

从具体应用来看，三位科学家通过开创性的实验证明，量子纠缠具有非定域性，也就是说量子纠缠可以在很远的距离进行超光速的传输，利用这一点，人们可以开展量子通信和量子密码的研究。

“越来越清楚的是，一种新的量子技术正在兴起。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作极其重要，甚至涵盖了对于量子力学基本问题的解释。”诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克说。

人类对未知的探索永无止境，量子力学充满了难以言喻的魅力。如今，许多基于量子力学的研究成果，都已经在应用领域发挥一定作用，比如正在快速发展的量子计算机和量子加密通信技术。

2022年诺贝尔物理学奖与中国“墨子号”

2022年诺贝尔物理学奖的公布现场，潘建伟团队的“墨子号”也公开“亮相”，出现在介绍获奖者成果的案例展示中。颁奖委员会在介绍获奖者之一安东·塞林格的工作时，也提到了中国科学家团队为此做出的杰出贡献。他的这次获奖，与中国“墨子号”团队在卫星尺度上证明了他所发明的技术密切相关。

2016年8月16日，中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，2017年1月18日正式开展科学实验，构建“墨子号”的基础科学原理，就是塞林格团队1997 年首次完成的量子隐形传态实验。

1997年，塞林格首次实现量子隐形传态的工作，被公认为是量子信息实验研究的“开山之作”，相关成果发表于当年12月的《自然》杂志上，题为《实验量子隐形传态》，这篇文章的第二作者正是当时作为他学生的潘建伟。

2018年，塞林格团队以合作形式参与中国科学院主导的洲际量子通信实验，与中国科学技术大学的潘建伟及彭承志等人合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星，实现距离达7600千米的洲际量子密钥分发，成功举行了75分钟的中国科学院和奥地利科学院洲际量子保密视频会议，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。

2019年，塞林格团队再次与潘建伟团队合作，在国际上首次成功实现高维度量子体系的隐形传态。这是自1997年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及发展高效量子网络奠定了坚实的科学基础。