2022诺贝尔物理学奖

楚杭

10月4日，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、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·塞林格，以表彰他们为纠缠光子实验、证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。 为帮助同学们看懂今年诺贝尔物理学奖，特向同学们做如下说明： 阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）、安东·塞林格（右）。 啥是量子纠缠 　　“遇事不决，量子力学”，现代物理学里，论起最被人熟知的领域，量子力学毫无疑问是第一名。在所谓的“纠缠对”中，一个粒子发生的事情，会决定另一个粒子发生的事情（不管相距多远）。这意味着什么？量子力学的基础不仅仅是一个理论或哲学问题。其与全世界正密集研发的、以利用单个粒子系统的特殊属性来构建的量子计算机、改进测量、量子网络以及量子加密通信，都能息息相关。以上应用，均需依赖于量子力学如何允许两个或多个粒子以共享状态存在，甚至无论它们相隔千山万水，均能保持这一状态。这被称为“纠缠”。 纠缠示意图 　　自从该理论提出以来，它一直是量子力学中争论最多的元素之一。阿尔伯特·爱因斯坦说这是“幽灵般的超距作用”，而埃尔温·薛定谔说这是量子力学最重要的特征。一位叫做贝尔的物理学家还提出了贝尔不等式：如果能证明这个不等式在量子世界中成立，那么爱因斯坦就是对的，量子力学是不完备的；如果不成立，那么量子力学就取得了胜利。 既然争论不断，这就需要三位诺奖得主登场了——首先登场的是约翰·克劳泽，他建造了一个精巧的仪器，能够同时发出两个相互纠缠的光子，最后通过实验得出了一个明显违背贝尔不等式的结果。然而，克劳泽的这个实验却被发现存在一个特殊的实验漏洞，并不具有说服力。还好，当时还是博士生的阿兰·阿斯佩在克劳泽的基础上改进了实验装置，修复漏洞后，发现实验结果并没有改变：贝尔不等式在量子世界不成立！ 在此之后，无数物理学家为完善这一实验结果继续努力，安东·塞林格就是重要一员，他带领的团队最终弥补了随机性等漏洞，给出了量子力学违背贝尔不等式的决定性证明。塞林格的贡献不止于实验验证贝尔不等式，他还发现纠缠的量子态具有存储、传输和处理信息的潜力，将量子纠缠从理论推向了应用。 2022年的获奖者们，探索了这些纠缠的量子态，他们的实验为基于量子信息的新技术扫清了障碍，为目前正在进行的量子技术革命奠定了基础。面对爱因斯坦的质疑，历经数十年时间，从克劳泽到阿斯佩再到塞林格，一代代物理学家终于用确凿的实验数据证明，量子纠缠是存在的，胜利属于量子力学。 背后的中国贡献 　　得知诺奖再次授予量子科技领域的研究者，中国科学院院士潘建伟感到非常振奋。他说：“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。” 作为安东·塞林格的学生，颁奖委员会提到的安东·塞林格的研究工作，潘建伟院士是最主要的参与者之一。“颁奖委员会提到了我导师安东·塞林格的四篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者，两篇文章的第二作者。”潘建伟说。同时，“颁奖委员会还提了另外三篇文章，而这三篇文章都是中国科学家独立开展的研究工作。所以，从这一点讲，我不仅是加入了塞林格的研究团队，也参与了开创量子信息物理学这个领域，我感到很幸运。”潘建伟说。 更重要的是，“在把获奖科学家的梦想变成现实的过程中，中国科学家也作出了很大的贡献。”在这方面的成绩让潘建伟感到很骄傲。 量子力学应用 　　量子力学现已开始得到应用，并产生了很广阔的研究领域，其包括量子计算机、量子网络和更为安全的量子加密通信。从实践的角度来说，量子纠缠所代表的，其实是一个巨大资源。科学家们对量子纠缠漏洞的不满，正源于每一阶段可应用范围的不够。 诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克这样总结道：“越来越清楚的是，一种新型的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。” 近年来，我国也高度重视量子信息科技的发展，在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术，产出了一批具有重要国际影响力的成果。“总体而言，我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位，在量子计算方面与发达国家处于同一水平线，在量子精密测量方面发展迅速。”潘建伟说。他表示，量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。 我国的城域量子通信技术已初步满足实用化要求，我国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”，在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在卫星量子通信方面，我国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上率先实现了星地量子通信，首次实现了洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。 量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。当前，量子计算研究已经实现“量子优越性”，即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机，达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。2020年，潘建伟和陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”，推动了全球量子计算的前沿研究达到一个新高度，继谷歌“悬铃木”量子计算机之后，我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。 然而，“我国在量子精密测量领域起步较晚，整体上相比发达国家存在一定的差距，但近年来已经迅速缩小了差距，在若干研究方向上与公开报道的国际最高水平相当。” 诺贝尔物理学奖 　　诺贝尔物理学奖是阿尔弗雷德·诺贝尔在其遗嘱中提到的第一个奖项。从1901年至2021年，诺贝尔物理学奖已颁发过115次，其中47次授予单一获奖者，32次由两位获奖者分享，36次由三位获奖者分享。截至2021年，共有219位诺贝尔奖物理学奖获得者。其中，美国科学家约翰·巴丁是唯一曾在1956年和1972年两次获得诺贝尔物理学奖的获奖者，这意味着共有218人曾获得诺贝尔物理学奖！ 最年轻的诺贝尔物理学奖得主是劳伦斯·布拉格，他1915年和父亲亨利·布拉格共同获奖时年仅25岁。最年长的诺贝尔物理学奖得主是亚瑟·阿斯金，他2018年获奖时已96岁。 在诺贝尔六大奖项中，物理学奖是女性获奖人次第二少的奖项，只多于仅有2位女性获奖的诺贝尔经济学奖。截至2021年，共有4名女性曾获得诺贝尔物理学奖，分别是玛丽·居里（1903年获奖，1911年获诺贝尔化学奖）、玛丽亚·梅耶（1963年获奖）、唐娜·斯特里克兰（2018年获奖）、安德烈娅·盖兹（2020年获奖）。 据人民网报道，诺贝尔物理学奖主要集中四个领域：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、原子分子及光物理。但2021年的诺贝尔物理学奖首次颁给了气候学家真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼，以表彰其在“地球气候建模、量化气候变化以及对全球变暖的可靠预测”方面的贡献；乔治·帕里西因“在从原子到行星尺度的物理系统中发现了无序和涨落的相互作用”同获当年奖项。 三位诺奖得主简历 　　现年75岁的阿兰·阿斯佩是法国物理学家、巴黎萨克莱大学和巴黎综合理工学院教授、法国科学院院士，同时也是香港城市大学香港高等研究院高级研究员。 约翰·克劳泽1942年12月出生于美国加利福尼亚州，是美国知名实验物理学家和理论物理学家。 安东·蔡林格现年77岁，是奥地利量子物理学家、维也纳大学物理学教授、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。