2022量子纠缠理论获诺贝奖，终于把在物理封神的爱因斯坦拉下神坛？
获得诺贝尔物理学奖的三位科学家——法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格，他们通过开创性的实验展示了处于纠缠状态的粒子的潜，这三位获奖者对实验工具的开发，也为量子技术的新时代奠定了基础。
阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·塞林格（右）。图片来源：诺贝尔奖官网
流程编辑：TF099
解读2022年诺贝尔物理学奖：为第二次量子革命奠定基础
2022-10-06 11:20 来源：新华社
以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命、曾被爱因斯坦质疑的量子纠缠、中国在全球率先发射的量子卫星……这些都是与刚刚揭晓的2022年诺贝尔物理学奖相关的热门话题。 瑞典皇家科学院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”方面所做出的贡献。
量子力学从上世纪初诞生以来，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。近来，以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。瑞典皇家科学院在诺奖公报中说，今年三位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。 量子纠缠长期是量子力学中最具争议的问题之一。量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变，另一个的状态会瞬时发生相应改变。
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”。 20世纪60年代，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”。如果贝尔不等式始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。
为了对贝尔不等式进行验证，美国科学家约翰·克劳泽设计了相关实验，其中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。 但这个实验具有局限性，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。阿斯佩填补了克劳泽实验的重要漏洞，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”。
奥地利科学家安东·蔡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。蔡林格和同事还利用量子纠缠展示了一种称为量子隐形传态的现象，即将量子态从一个粒子转移到另一个粒子。其团队还在量子通信等方面有诸多研究进展。 其中一项重要成果就是，2017年中国与奥地利科学家借助中国的“墨子号”量子卫星，成功实施世界首次量子保密的洲际视频通话。这也是为什么诺贝尔物理学奖评委托尔斯·汉斯·汉森在现场解读获奖成果时，展示了一张含有中国量子卫星的图片，其上显示了中国和欧洲之间的洲际量子通信实验。
诺奖官方公报说，世界各地的研究人员已经发现了许多利用量子力学强大特性的新方法，而这些都得益于今年三位获奖者的贡献。他们扫除了贝尔不等式等“拦路虎”，这也是为什么公报称赞“他们的结果为基于量子信息的新技术扫清了道路”。
诺贝尔物理学奖授予量子力学：获奖者证明爱因斯坦的错误
诺贝尔物理学奖授予量子力学：获奖者证明爱因斯坦的错误
语音播报缩小字体放大字体微博微信分享0
北京时间10月4日17时45分，诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。
2022诺贝尔物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格
诺贝尔物理学委员会指出，他们的工作“为量子技术的新时代奠定了基础”。委员会成员伊娃·奥尔森说，量子信息科学在安全信息传输和量子计算等领域具有广泛的影响，是一个“充满活力且发展迅速”的领域。
证明爱因斯坦错误
“他们三位获奖是实至名归。”图灵量子创始人、上海交大集成量子信息技术研究中心主任金贤敏对《中国新闻周刊》说。他解释，阿斯佩等三人是量子信息领域公认的开创者和先驱，这些实验结束了爱因斯坦和旧量子论奠基人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔持续近百年的争论。
20世纪20年代的量子力学革命就是在这场争论中开启。量子力学长期以来的核心理论难题是“远距离的幽灵行动”问题，即为何两个或多个粒子以所谓的纠缠态存在，更进一步阐述，纠缠对中的一个粒子发生的事情，就决定了另一个粒子发生的事情——即便它们相距很遥远。比如，一个光子的偏振态是“向上”的，另一个光子的偏振态就必然是“向下”的，仿佛“心灵感应”。对此，爱因斯坦认为，纠缠对中的粒子包含了隐藏变量，即局部因果关系，因此量子力学形式是不完整的。显然，爱因斯坦不相信上帝会掷骰子，玻尔则强烈反对这一结论。
1935年，爱因斯坦等更进一步提出了著名的EPR佯谬，核心观点是：量子力学没有提供对现实完整描述。1964 年，在欧洲核子研究中心工作的英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式，这一不等式的核心在于，如果存在隐藏变量，则大量粒子测量结果间相关性永远不会超过某个值。如果能通过实验验证，测量结果违反了贝尔不等式，就意味着量子力学不能用局域隐变量理论来解释，即证明爱因斯坦的认知是错误的。
后来事实表明，阿斯佩、克劳泽和塞林格都通过实验验证了违反贝尔不等式的情况，因此，三人早在2010年就共同获得了世界物理学界最高成就奖之一的沃尔夫奖，获奖理由是“他们对量子物理学基本概念和实验的贡献，特别是对贝尔不等式一系列日益复杂的测试或使用纠缠量子态对其扩展。”
克劳泽是世界上第一个对贝尔不等式验证的科学家，他今年已经80岁了。1972 年，正在加州大学伯克利分校任职的他就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。在哥大读书期间，克劳泽的量子力学课还曾连续两次获得C, 又被迫重修了两次。
这类早期实验往往存在漏洞。1982年，还在读博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。阿斯佩1947年出生在法国，先后在法兰西学院和巴黎高等师范学院等任职，后来成为了法国国家科学研究中心的杰出名誉科学家。
中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿对《中国新闻周刊》分析说，贝尔不等式是量子力学发展中一个非常重要的理论，这个理论之所以如此重要，是因为它对“量子力学是否正确”这样的重大问题做出了一个判断。而在验证的所有实验中，阿斯佩实验又是其中最重要的一个，因为早期实验漏洞太多，并不令人信服，但阿斯佩实验第一次“用光学的方法真正把道理讲清楚”，被学界所公认。实验提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，没有隐藏的变量，“幽灵肯定存在”。
“ 我1990年代到阿斯佩的实验室参观时遇到了他，他是个做学问很认真的人，他当时自己说，他的实验仍有漏洞，但这并不影响实验的结论。”郭光灿说。
实验的漏洞被完全“堵上”要等到2015年，这是塞林格的工作。在一系列实验中，他使用了距离源足够远、快速可切换的偏振器，还使用大约 600 年前恒星发出的光来进行测试，以尽可能减少“历史性”中的隐藏变量。包括塞林格在内的多个团队完成了“无漏洞”的贝尔不等式验证。
塞林格1945年出生于奥地利，1971 年在维也纳大学获得博士学位，1999年加入维也纳大学任教，后来成为奥地利科学院院长。值得一提的是，国内知名量子通信专家潘建伟1996年在奥地利攻读博士学位时，就师从塞林格。现在，塞林格团队与中国科学院合作密切，参与了中科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。
诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克在颁奖时说，三位获奖者各自使用“两个粒子即使在分离时也表现得像一个单元”的纠缠量子态，进行了开创性实验，实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。“对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题”。
