安東·塞林格

2022年諾貝爾物理學獎解讀

諾獎解讀：為啥這么多人猜中他們獲獎

2022年諾貝爾物理學獲獎者之一奧地利科學家Anton Zeilinger （中文譯作：安東·塞林格）是中國科大潘建偉院士的導師，是中國科學院外籍院士

“眾望所歸，他們終于獲得了諾貝爾獎！”

10月4日下午，瑞典皇家科學院決定將2022年的諾貝爾物理學獎授予法國科學家Alain Aspect、美國科學家John F.Clauser和奧地利科學家Anton Zeilinger ，以表彰他們“用糾纏光子進行的實驗，確定了貝爾不等式的不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學”（詳見2022年10月07日本網(wǎng)《諾獎解讀：糾纏，是一種強大的工具》）。

上世紀70年代開始，科學家們開始在實驗上深入探索量子世界，三人前赴后繼，歷時30年，克服諸多困難，最終完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領(lǐng)域的開山之作。

 如今，量子力學已擁有很廣闊的研究領(lǐng)域，包括量子計算機、量子網(wǎng)絡和安全的量子加密通信。

 “越來越明顯的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎者對糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題。”諾貝爾物理學委員會主席Anders Irb?ck說。

 為什么量子信息科學獲獎成為“眾望所歸”？如何認識量子科學理論與實驗的關(guān)系？量子科技何時能成為現(xiàn)實？《中國科學報》記者邀請4位專家進行解讀。

《中國科學報》：看到今年諾獎的評選結(jié)果后，你有什么感受？

中國科學院理論物理研究所研究員蔡榮根：眾望所歸，奧地利科學家Anton Zeilinger （中文譯作：安東·塞林格）是中國科大潘建偉院士的導師，是中國科學院外籍院士。他與中國有著很好的合作關(guān)系，常來作報告。

清華大學物理系教授龍桂魯：這對量子信息這么多年取得的成績是一個肯定。事實上，三位科學家已經(jīng)在2010年獲得沃爾夫物理學獎，表彰他們在量子糾纏領(lǐng)域的成就。

中國科學院物理研究所特聘研究員沈潔：量子的研究和技術(shù)手段進步很快，但本質(zhì)底層的基礎(chǔ)進展可能并不是那么快，這也使得很多現(xiàn)象難以解釋，比如量子糾纏等，最本質(zhì)的原因其實還是未知，未來，從更根本的角度深入解釋，還需要理論的貢獻。

《中國科學報》：這個研究究竟在講啥？

龍桂魯：上世紀60年代，約翰·貝爾提出一個關(guān)于是否存在完備局域隱變量理論的數(shù)學不等式。該定理在定域性和實在性的雙重假設下，對于兩個分隔的粒子同時被測量時其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度建立了一個嚴格的限制，提供了用實驗驗證在量子不確定性和愛因斯坦的定域?qū)嵲谛灾�間做出判決的機會。

潘建偉在中國科學技術(shù)大學的辦公室內(nèi)與“墨子號”量子衛(wèi)星模型合影。

新華社記者 張端 攝

簡單說，兩個存在糾纏態(tài)的粒子分開以后，如果量子力學是對的，這個不等式的值就大于2。他們?nèi)�位最早驗證了貝爾不等式的違反，但是由于存在探測器效率低、兩個量子之間距離短的漏洞，貝爾不等式違背的驗證仍有物理學家質(zhì)疑。

2015年，荷蘭Ronald Hanson、美國Sae-Woo Nam等人和奧地利Zeilinger等實現(xiàn)了無漏洞的不等式驗證，證明了量子力學的正確性。

《中國科學報》：三位諾獎得主在這項研究中的關(guān)系是怎樣的？他們分別做了哪些貢獻？

龍桂魯：法國科學家Alain Aspect做超冷原子和量子光學；奧地利科學家Anton Zeilinger原來在麻省理工學院當老師，最早做中子干涉研究，后來回到奧地利開始做光學，他是潘建偉院士的博士生導師。2002年，我到Anton Zeilinger教授團隊訪問了兩個月。美國科學家John F.Clauser原先做理論，后來理論和實驗都做。

上世紀60年代，約翰·貝爾提出了以他名字命名的數(shù)學不等式，即“貝爾不等式”，Alain Aspect開始了一系列的實驗對其驗證，這也是國際最早的實驗驗證之一，驗證結(jié)果是違反貝爾不等式的。早期實驗是有漏洞的，不足以證明量子力學是正確的。2015年三位科學家擺出了實驗漏洞。實驗驗證了貝爾不等式違背。

《中國科學報》：此次諾獎頒給量子實驗科學家，如何認識理論與實驗的關(guān)系？

 蔡榮根：實驗和理論研究相輔相成。通常理論會走在實驗的前面，人們會根據(jù)觀測事實提出一些理論，做出一些預言，并通過實驗去驗證它。通常好的技術(shù)手段有利于驗證理論成果，而通過驗證的理論，反過來會指導和支持技術(shù)的發(fā)展。

事實上，我們現(xiàn)在生活中的信息技術(shù)，各種高新技術(shù)很多都建立在相對論、量子力學基礎(chǔ)之上。現(xiàn)在技術(shù)的發(fā)展能操控物質(zhì)的量子性質(zhì)，控制原子，讓它的運動速度降下來，把溫度降下來，這就是理論和實驗相輔相成的典型例子。

中國科學院高能物理研究所特聘研究員陳繕真：理論物理指導我們實驗工作，我們實驗結(jié)果反饋給理論物理學家，如果符合理論預期，則是好事，若不符合，其實是更大的好事，說明理論有進一步發(fā)展的潛力。

如今基礎(chǔ)科學研究越來越細化，要取得突破性進展，不光是理論物理學家和實驗物理學家的合作，還要跟工程師等不同領(lǐng)域的專家合作，這是全新的科研模式。

《中國科學報》：量子通信技術(shù)多少年能夠成為現(xiàn)實？

龍桂魯：量子通信包含了一個廣義的概念，通過移動量子態(tài)完成的任務都可以叫做量子通信。而經(jīng)典通信的定義是信息的可靠傳輸，照此，有些量子通信形式還算不上通信，比如量子密鑰分發(fā)，不是傳遞信息，而是協(xié)商密鑰。我們提出的量子直接通信是經(jīng)典通信意義上的通信。

經(jīng)典保密通信有兩個“擔心”。竊聽者可以把密文存儲，第一個“擔心”是，未來可能發(fā)現(xiàn)更快的算法，第二個是“擔心”未來會有更強大計算機，保密期限會大幅度降低。

當前，量子通信由于器件方面的缺陷，還無法做到絕對安全。未來，將經(jīng)典通信與量子通信相結(jié)合，可以實現(xiàn)現(xiàn)有條件下最安全的通信。

《中國科學報》：我們倡導從0到1的原始創(chuàng)新，諾獎成果可以給我們怎樣的啟示？科學家需要什么樣的研究環(huán)境和氛圍？

蔡榮根：諾獎主要頒給科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，今年獲獎的量子糾纏等在當初提出時顯然與日常生活沒有太大關(guān)系，也并不一定認識到其重要性，但隨著時代發(fā)展，可能慢慢會演變從而改變我們的生活。

這就是基礎(chǔ)研究，挑戰(zhàn)性大、花費時間長，是我們較為缺乏的。當前，我國提倡從0到1的基礎(chǔ)研究，減少跟風式研究，并給予了大力支持，科研人員應有雄心、有毅力做這樣的研究，聚焦關(guān)鍵核心問題，為解決國家的重大需求做貢獻。

做科學研究的目的也不是為了得諾貝爾獎，應是探索自然，為全人類做貢獻，這是做科學研究的重要意義。

沈潔：三位獲獎者都是實驗科學家，這對我們實驗工作者是一個激勵，只要把實驗做到極致，也能夠獲得重大突破、受到國際認可。

未來要做更多關(guān)于精密測量、量子通信等方面的前沿探索，這對年輕人來說是一個啟發(fā)。

（來源：中國國際碳氫農(nóng)業(yè)科學研究院根據(jù)中外報道整理）