北京時間10月4日2022年諾貝爾物理學獎揭曉

2022年諾貝爾物理學獎解讀

諾獎解讀：糾纏，

是一種強大的工具

中國碳氫產業網  北京時間10月4日，2022年諾貝爾物理學獎揭曉，Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger.獲獎。以表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。獎金為1000萬瑞典克朗。

獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家——法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤、奧地利科學家安東·塞林格，他們通過開創性的實驗展示了處于糾纏狀態的粒子的潛力，這三位獲獎者對實驗工具的開發，也為量子技術的新時代奠定了基礎。

阿蘭·阿斯佩（左）、約翰·克勞澤（中）、安東·塞林格（右）諾貝爾獎官網

你明白“糾纏”嗎

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）。這意味著什么？

糾纏示意圖

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，均需依賴于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。

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。

兩對糾纏粒子從不同的來源發射。每對粒子中的一個粒子以一種特殊的方式相互糾纏而聚集在一起。然后，其他兩個粒子（圖中的1和4）也被糾纏在一起。通過這種方式，兩個從未接觸過的粒子可以糾纏在一起。

阿爾伯特·愛因斯坦說這是“幽靈般的超距作用”，而埃爾溫·薛定諤說這是量子力學最重要的特征。

今年的獲獎者們，探索了這些糾纏的量子態，他們的實驗為基于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。

不斷解決漏洞

長期以來存在的一個問題是，相關性究竟是不是因為糾纏對中的粒子包含隱藏變量。1960年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了以他的名字命名的數學不等式。這說明如果存在隱藏變量，則大量測量結果之間的相關性，永遠不會超過某個值。然而，量子力學預測某種類型的實驗將違反貝爾不等式，從而導致比其他方式產生了更強的相關性。

量子力學的糾纏對可與反方向拋出相反顏色球的機器相提并論。當鮑勃接住一個球，看到它是黑色的時，他立即知道愛麗絲抓住了一個白色的。在使用隱藏變量的理論中，球總是包含有關顯示什么顏色的隱藏信息。然而，量子力學卻說，這些球是灰色的，直到有人看著它們時，一個隨機變成白色而另一個變成黑色。貝爾不等式關系表明，有實驗可以區分這些情況。這樣的實驗證明了量子力學的描述是正確的。

約翰·克勞澤發展了貝爾的想法，并通過一個實際的實驗進行測量，測量結果通過明顯違反貝爾不等式來支持量子力學。這意味著，量子力學不能被使用隱藏變量的理論所取代。

約翰·克勞澤研究示意圖

在約翰·克勞澤的實驗之后，一些漏洞仍然存在。阿蘭·阿斯佩開發了一種新設置，并以一種彌補重要漏洞的方式使用它。他能夠在糾纏對離開其源后切換測量設置，因此在它們發射時既有設置就不會影響結果。

阿蘭·阿斯佩研究示意圖

使用改良工具和一系列長期實驗，安東·塞林格的團隊利用糾纏量子態證明了一種稱為量子隱形傳態的現象，它可以將量子態從一個粒子移動到遠距離的另一個粒子。

安東·塞林格研究示意圖

“糾纏態”正從理論走向技術

量子力學現已開始得到應用，并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，正源于每一階段可應用范圍的不夠。

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，甚至超出了關于量子力學解釋的基本問題。”

近5年諾貝爾物理學獎得主

2021年

諾貝爾物理學獎授予“對我們理解復雜系統的開創性貢獻”。一半由美國科學家真鍋淑郎(Syukuro Manabe)和德國科學家克勞斯·哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)獲得，表彰他們“對地球氣候的物理建模、量化可變性和可靠地預測全球變暖”；另一半由意大利科學家喬治·帕里西(Giorgio Parisi)獲獎，以表彰他“發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動之間的相互作用”。

2020年

諾貝爾物理學獎將一半頒給了英國科學家羅杰·彭羅斯(Roger Penrose)以表彰其給出的黑洞形成的證明，并成為廣義相對論的有力證據。另一半由德國科學家賴因哈德·根策爾 (Reinhard Genzel)、美國科學家安德烈婭·蓋茲 (Andrea Ghez)共享，表彰他們“在銀河系中心發現超高質量高密度物質”。

2019年

美國普林斯頓大學教授吉姆·皮布爾斯（James Peebles）、瑞士日內瓦大學教授米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和日內瓦大學教授迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）獲獎，理由是“在天體物理學方面的發現”。

2018年

美國科學家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法國科學家杰哈·莫羅（Gerard Mourou）和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）獲獎，理由是“在激光物理領域的突破性發明”。

2017年

三名美國科學家雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什獲獎，理由是“在LIGO探測器和引力波觀測方面的決定性貢獻”。

諾貝爾物理學獎小知識

作為根據諾貝爾遺囑設立的五大獎項之一，物理學獎被授予“在物理學領域作出最重要發現或發明的人”，與其他諾貝爾獎相比，物理學獎的薦舉和甄選過程更長、更縝密。諾貝爾物理學獎規則規定，獲獎者的貢獻必須“已經受時間的考驗”。這意味著諾貝爾委員會往往會在科學發現的數十年以后才會為此頒發獎項。自1901年至2021年，諾貝爾物理學獎項已頒發115次，一共218位得主，記錄了物理學發展史上的無數個里程碑，已成為人類文明不可分割的一部分。

獨享還是共享？

根據規定，一項諾貝爾獎最多可以頒給兩項不同的成就，獎金將均分。而如果一項成就是由2到3個人共同完成，那么獎金將聯合授予他們。一份獎金最多由3人分享。在218位獲獎者中，有47位獨享獎項。

人選空缺怎么辦？

自1901年至2021年，諾貝爾物理學獎項已頒發115次。其中，1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年這6年未頒獎。正如組委會所說：“如果候選人的貢獻沒有達到要求，那么獎金就會被保留至第二年。如果第二年仍沒有合適的人選，那么，獎金將回流至基金會的初始基金里。”此外，在兩次世界大戰期間，諾貝爾獎也鮮少頒發。

最年輕和最年長的獲獎者

俗話說，出名要趁早。迄今為止，諾貝爾物理學獎最年輕的獲獎者是澳洲物理學家勞倫斯·布拉格。1915年，年僅25歲的他憑借用X射線研究晶體內原子和分子結構的貢獻，與父親亨利·布拉格共同獲得諾貝爾物理學獎。

迄今，諾貝爾物理學獎最年長的獲獎者是美國物理學家亞瑟·阿什金，他在2018年獲得諾貝爾獎時已經96歲。獲獎理由是“在激光物理領域的突破性發明”。

史上獲兩次諾貝爾物理學獎的人

在諾貝爾獎歷史上，獲得兩次諾貝爾物理學獎的是美國物理學家約翰·巴丁。1956年約翰·巴丁因對半導體的研究和對晶體管效應的研究榮獲諾貝爾物理學獎。1972年他因超低溫理論再次榮獲諾貝爾物理學獎。

天文學五年內3次問鼎

有學者表示，相較其他自然科學獎項，諾貝爾物理學獎的規律性較為明顯：宇宙天體物理學、粒子物理學、原子分子及光物理學和凝聚態物理學這四大領域輪番登場。不過近幾年，天體物理登臺頻率較高——在2017到2021年五年內，天文學已經3次獲獎，包括2017年引力波的發現、2019年的宇宙學理論和系外行星發現以及2020年的黑洞研究。2019年諾貝爾物理學獎得主、瑞士天文學家迪迪埃·奎洛茲在世界頂尖科學家論壇上曾表示，黑洞永遠都是科學最好的舞臺，未來天文還可能出現諾獎級成果。

獲得諾貝爾物理學獎的華人科學家

在諾貝爾獎歷史上，諾貝爾物理學獎是華人獲獎最多的領域，共有6位華人科學家獲獎。

1956年，31歲的美籍華人李政道和35歲的楊振寧提出“李-楊假說”，并于1957年同時獲得諾貝爾物理學獎。

1976年，美籍華人科學家丁肇中因發現J粒子獲得諾貝爾物理學獎。

1997年，美籍華人朱棣文因“發明了用激光冷卻和俘獲原子的方法”榮獲諾貝爾物理學獎。

1998年，美籍華人崔琦因解釋了電子量子流體這一特殊現象，獲得諾貝爾物理獎。

2009年，英國華人科學家高錕因在“有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”作出突破性成就，獲得諾貝爾物理學獎。

（來源：中國國際碳氫農業科學研究院根據中外報道整理）