量子科技新纪元！三位量子信息科学奖荣获诺贝尔物理学奖！

北京时间2022年10月4日下午，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。奖金金额1000万瑞典克朗，由获奖者平均分享。

2022年诺贝尔物理学奖获得者：法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）

诺贝尔奖官网发布的新闻公报称，量子力学正开始得到应用。量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信已经成为很大的研究领域。而这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的一个粒子的状态，决定了另一个粒子的状态，即使这两个粒子相距很远。

Alain Aspect、John Clauser 和 Anton Zeilinger 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。他们的实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。

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“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，“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。

量子力学

力学允许两个或多个粒子以共享状态存在，而不管它们之间的距离有多远，这被称为纠缠。自该理论提出以来，它一直是量子力学中最具争议的元素之一。阿尔伯特.爱因斯坦（Albert Einstein）谈到了远距离的幽灵行为，埃尔文.薛定谔（Erwin Schrodinger）说这是量子力学最重要的特征。

量子力学的不可言喻的影响开始得到应用。现在有一个很大的研究领域，包括量子计算机，量子网络和安全量子加密通信。这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以所谓的纠缠状态存在。纠缠对中的一个粒子发生的情况决定了另一个粒子会发生什么，即使它们相距很远。

“越来越清楚的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态的工作非常重要，甚至超出了量子力学解释的基本问题，“诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbäck说。

量子纠缠

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。爱因斯坦曾将这种神秘的现象称之为“鬼魅般的超距作用”。

量子力学的纠缠对可以比作一台机器，它向着相反方向抛出反色的球。当鲍勃抓到一颗球，并看到它是黑色的时，他就立刻知道爱丽丝抓到了一颗白色的球。在一种使用隐变量的理论中，这些球总会包含着关于颜色的隐藏信息。但是，量子力学认为，这些球都是灰色的，直到有人看到它们时，其中一颗会随机变成白色，另外一颗则变成黑色。贝尔不等式表明，有一些实验能够区分这些情况。这类实验已经证明了，量子力学的描述才是正确的。

贝尔不等式

20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔发展了以他的名字命名的数学不等式。这说明，如果存在隐藏变量，则大量测量结果之间的相关性永远不会超过某个值。然而，量子力学预测，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比本来可能更强的相关性。

美国科学家约翰·克劳泽（John Clauser）延续了贝尔的想法，设计了一项实验对贝尔不等式进行验证，Clauser使用钙原子，在他借助一种特殊的光照亮粒子后，钙原子可以发射纠缠光子。他在两边分别安置了一个过滤器，来测量光子的偏振。经过一系列测量，他能够证明它们违反了贝尔不等式。这意味着量子力学不能被使用隐藏变量的理论所取代。

Clauser的这个实验还是有一些漏洞存在。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。在这个基础上，法国科学家阿兰·阿斯佩Alain Aspect对该该实验进行了改进，用一种新的方法激发原子，让它们以更高的速率发射纠缠光子。他还能够在不同设置之间切换，因此这个系统不会包含任何可能影响结果的预先信息。该实验也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”。

安东·塞林格（Anton Zeilinger）在这个过程之中也做了不少贡献。Zeilinger对贝尔不等式进行了更多测试。他将激光对准一种特殊的晶体，创造了光子纠缠对，并使用随机数在测量设置之间切换。一项实验利用了来自遥远星系的信号来控制过滤器，并确保信号不会相互影响。实用化的量子通信需要把两颗纠缠的光子分开很远的距离。塞林格的团队一次一次的突破记录，从几公里到十几公里，到上百公里。

他们一次又一次地证明，爱因斯坦和薛定谔是错的。实验结果，大幅度偏离了贝尔不等式。通过精密的工具和一系列的实验，Zeilinger开始使用纠缠量子态。此外，他的研究小组还展示了一种被称为量子隐形传态的现象，使得在一定距离上将量子态从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

这些研究和实验为当前量子信息科学的密集研究奠定了基础。能够操纵和管理量子态及其属性，使我们能够发展出具有意想不到的潜力的工具。这是量子计算、量子信息的传输和存储，以及量子加密算法的基础。这些日益完善的工具使我们更加接近那些现实的应用。

第一次量子革命给我们带来了晶体管和激光，现在，在这些用来操纵纠缠粒子系统的现代工具的帮助下，我们正在进入一个新的量子信息时代。

参考链接：

https://www.sohu.com/a/591186010_101025

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_20170974

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/