新智元报道

编辑：拉燕 桃子

【新智元导读】2022年诺贝尔物理学奖颁给了来自法美奥的3位物理学家。他们通过研究证明了爱因斯坦的质疑是错误的，为量子信息学奠定了基础。

遇事不决，量子力学。

不负众望，今年的诺贝尔物理学奖颁给了量子力学！

昨天下午，诺贝尔奖委员会宣布将2022年物理学奖颁给法国物理学家Alain Aspect、美国物理学家John F. Clauser，以及奥地利物理学家Anton Zeilinger。

表彰他们「通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了量子信息科学」。

其实在2010年，这三位科学家已经获得了沃尔夫物理学奖，表彰他们在量子纠缠领域的成就。

值得一提的是，其中一位还是中国「量子力学之父」潘建伟的导师。

是爱因斯坦错了

在了解以上三位科学家在量子领域的具体贡献前，我们需要知道什么是量子纠缠？

是指粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，即使相距遥远，一个粒子的行为也会影响另一个的状态。

当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

当时，爱因斯坦一直是量子力学的反对者，并且将这种跨越空间的、瞬间影响双方的量子纠缠称为「鬼魅的超距作用」（spooky action at a distance)。

他还曾说，「我相信上帝不掷骰子」。

然而，刚刚拿奖的三位物理学家的成功证明爱因斯坦错了。

1935年，爱因斯坦便和另外2个物理学家鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）写了一篇著名的论文Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete？。

论文中，他们提出了一个原理质疑了量子力学的完备性：

即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速，也就是说量子纠缠超距作用违反了定域性原理。

后来，人们将他们的论证称为EPR悖论，或者爱因斯坦定域实在论。

这里要明确的是，EPR论证并没有质疑量子力学的正确性，它质疑的是量子力学的不完备性。

很快，这篇论文在量子力学界掀起一阵强风巨浪。然而，EPR悖论设计的是一个思想实验，在当时是很难用实际的实验结果去反驳。

直到1964年，贝尔不等式的提出为所有人进行隐变量理论提供了实验验证方法。换言之，只要证明了这个不等式在量子世界中不成立，那么爱因斯坦就是错的。

此后，科学家们做了很多实验。

第一个便是1972年由John F. Clauser进行的，然后哈佛以及德州农工大学研究人员也相继进行了实验。

实验中，Clauser建造了一个精巧的仪器，通过将激光照射在特殊晶体上来创建纠缠的光子对，最后通过实验证明了一个明显违背贝尔不等式的结果。

但是这个实验存在一些漏洞。最基本的漏洞便是「定域性漏洞」（locality loopholes）。

好在十年之后，还在读博的Alain Aspect带领团队进行的实验在修复漏洞后，弥补了这一局限性。实验结果同样发现：贝尔不等式在量子世界不成立。

此后，许多物理学家都重复Aspect的实验，并且运用更新的手段，使实验模型越来越靠近爱因斯坦当年那个最原始的EPR设想。

但真正将量子纠缠从理论推向应用最重要的一个人物便是Anton Zeilinger。

除了通过实验证明贝尔不等式，他还发现了纠缠的量子态具有存储、传输和处理信息的潜力。

1997年，他和小组团队首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的开山之作。

量子隐形传态就是将未知量子态从一个粒子传递到另一个粒子的方式，而这过程不需要传递粒子本身。

就这样，一代代科学家们历经数十年用实验数据证明了量子纠缠是存在的。

这也说明了，爱因斯坦的质疑是错误的。

中国「量子力学之父」导师

可以说，三位科学家是量子信息领域的第一代开创者。

而其中一位，奥地利物理学家Anton Zeilinger不仅是中国科大潘建伟院士的导师，还是中国科学院外籍院士。

至今，Zeilinger教授已经发表了538篇，共被引用76000余次。他在理论和实验上对量子物理基础检验做出了开创性的贡献：

在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验；

实现了无局域性漏洞、无探测效率漏洞的量子力学非定域性检验；

提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态（GHZ态），在量子力学基础检验和量子信息中起着关键作用。

而最值得一提的是，潘建伟是Zeilinger带过的一个中国博士生。

科技日报对潘建伟采访中，他称，

一方面，量子科技领域得到了肯定；另一方面，颁奖委员会在介绍获奖者的工作时，提到了很多中国科学家所做的工作。我们觉得，为了这个领域的发展，中国科学家也作出了杰出贡献。

据《知识分子》对潘建伟的专访。

除了Zeilinger那篇理论文章之外，其他有Zeilinger名字的4篇量子通信实验文章都有自己的名字，不是第一作者，就是第二作者。

此外，他后续还提到三篇文章，是中科大「墨子号」之后，中国的科学家做出来的一些相关的工作。

也就是说，潘建伟团队一共7项工作，在诺奖致辞里提到了前4项。

对于导师和自己的关系，潘建伟称是师生，又是竞争者，也是合作者。

值得一提的是，Zeilinger还积极推动中奥国际学术交流与合作，还受聘为中国科大、南京大学、西安交通大学的名誉教授。

中国科学院官网介绍，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，并与多家单位建立密切合作关系。

其中，利用「墨子号」量子科学实验卫星，他的团队合作参与了中科院主导的洲际量子通信实验，成果入选美国物理学会评选的2018年度国际物理学十大进展。

除了专心研究，Zeilinger教授也有很感性的另一面。

他不仅搞笑幽默，爱拉大提琴，还特别喜欢爵士乐和古典音乐。

Zeilinger教授还喜欢研究新奇的小工具，比如当他第一次看到计算器时，便和一群人整个下午坐在一起对此进行研究。

他还曾在采访中表示，自己还曾订购了一台iPhone 4。

拿奖拿到手软的Aspect

Aspect毕业于Cachan高等师范学校，并在Orsay大学的高等光学学院（后来称为光学研究所研究生院）获得硕士学位。

20世纪80年代初期，Aspect正写着博士论文。

当时，他搞了个贝尔实验，证明了爱因斯坦、波多尔斯基和罗森对量子力学的假设性归纳。

1983年，他于巴黎南方大学获得了自己的博士学位。

后来，在他完成贝尔不等式的研究后，阿斯佩克特转向了中性原子的激光冷却研究，并主要参与了玻色-爱因斯坦凝聚体的相关实验。

2015年，他当选为英国皇家学会外籍会员。他是第一个在实验证明量子力学使可分离的隐变量理论无效的过程中排除测量站之间的潜意识通信的人，也是第一个在实验上证明单光子的波粒二象性的人。

2005年，他再次被授予国家科学研究中心的金质奖章，同时，他也是该中心的研究主任。

挂科两次得诺奖？Clauser值得

而另一位诺奖得主，Clauser的经历则更为传奇。

他出生在加利福尼亚州的帕萨迪纳，在1964年就获得了加州理工学院的物理学学士学位，之后于1966年获得物理学硕士学位，1969年在哥伦比亚大学获得物理学哲学博士学位，师从帕特里克·萨德斯。

可好玩儿的是，如今Clauser拿奖的科目，他上大学的时候还挂过两次。

第一次听说的时候，小编也是震惊的。

他在哥大上的高等量子力学连拿两C，抱憾重修两次。

而且，更好玩的是，不光考试挂科，他这人本身信仰就出现过问题。

曾经有一段时间，作为一名现实主义，他坚信自己为之奋斗的量子力学一定得是错的。

不然说不通！

于是，他就走在了推翻量子力学的大路上。推着推着，拿了一个诺奖。

哥大毕业以后，从1969年到1996年，他主要在劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加利福尼亚大学伯克利分校工作。

1972年，他对CHSH-贝尔定理的预测进行了首次实验测试。

这也是他第一次在实验中观察到违反贝尔不等式的情况。

在1974年，他首次观察到光的亚泊松统计（通过违反经典电磁场的考奇·施瓦茨不等式），从而首次证明了光子的明确的粒子状特征。

1976年，他对CHSH-贝尔定理的预测进行了世界上第二次实验测试。

可见，Clauser的研究生涯都是在和量子力学打交道。

参考资料：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/popular-information/

本文参考来自知识分子，文汇网、果壳的内容：

https://mp.weixin.qq.com/s/HIpw48XXjq3E_HxzCPMs5g

https://zhuanlan.zhihu.com/p/570631521

https://finance.sina.com.cn/jjxw/2022-10-04/doc-imqmmtha9794786.shtml?cref=cj

https://physicsworld.com/a/anton-zeilinger-a-quantum-pioneer/

https://mp.weixin.qq.com/s/5dgSFDOY7dSWP0Ul6nojng