打臉愛因斯坦，斬獲諾獎的量子糾纏到底何方神聖？

近期最大的新聞，莫過於瑞典皇家科學院將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·塞林格，以此表彰他們為糾纏光子實驗、證明違反貝爾不等式和開創性的量子資訊科學所作出的貢獻。

阿蘭·阿斯佩（左）、約翰·克勞澤（中）、安東·塞林格（右）。

愛因斯坦曾經說過，上帝不會擲骰子，萬事萬物都具有確定性。由於覺得過於不可思議，他形容量子糾纏為“幽靈般的超距作用”。而這次三位科學家的發現，推翻了他的部分理念。

獲獎的量子糾纏到底是個啥

“遇事不決，量子力學”，現代物理學裡，論起最被人熟知的領域，量子力學毫無疑問是第一名。

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）。這意味著什麼？

量子學的基礎僅僅是一個論或哲學問題。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子計算機、改進測、子網路以及子加密通訊，都能息息相關。

以上應用，均需依賴於子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”。

糾纏示意圖

自從該論提出以來，它一直是子學中爭論最多的元素之一。阿爾伯特·愛因斯坦說這是“幽靈般的超距作用”，而埃爾溫·薛定諤說這是子學最重要的特徵。一位叫做貝爾的物理學家還提出了貝爾不等式：如果能證明這個不等式在量子世界中成立，那麼愛因斯坦就是對的，量子力學是不完備的；如果不成立，那麼量子力學就取得了勝利。

既然爭論不斷，這就需要三位諾獎得主登場了——首先登場的是約翰·克勞澤，他建造了一個精巧的儀器，能夠同時發出兩個相互糾纏的光子，最後透過實驗得出了一個明顯違背貝爾不等式的結果。

然而，克勞澤的這個實驗卻被發現存在一個特殊的實驗漏洞，並不具有說服力。還好，當時還是博士生的阿蘭·阿斯佩在克勞澤的基礎上改進了實驗裝置，修復漏洞後，發現實驗結果並沒有改變：貝爾不等式在量子世界不成立！

在此之後，無數物理學家為完善這一實驗結果繼續努力，安東·塞林格就是重要一員，他帶領的團隊最終彌補了隨機性等漏洞，給出了量子力學違背貝爾不等式的決定性證明。

塞林格的貢獻不止於實驗驗證貝爾不等式，他還發現糾纏的量子態具有儲存、傳輸和處理資訊的潛力，將量子糾纏從理論推向了應用。

今年的獲獎者們，探索了這些糾纏的子態，他們的實驗為基於量子資訊的新技術掃清了障礙，為目前正在進的子技術革命奠定了基礎。

面對愛因斯坦的質疑，歷經數十年時間，從克勞澤到阿斯佩再到塞林格，一代代物理學家終於用確鑿的實驗資料證明，量子糾纏是存在的，勝利屬於量子力學。

三位諾獎得主小簡歷

現年75歲的阿蘭·阿斯佩是法國物理學家、巴黎薩克萊大學和巴黎綜合理工學院教授、法國科學院院士，同時也是香港城市大學香港高等研究院高階研究員。

約翰·克勞澤1942年12月出生於美國加利福尼亞州，是美國知名實驗物理學家和理論物理學家。

安東·蔡林格現年77歲，是奧地利量子物理學家、維也納大學物理學教授、奧地利科學院量子光學與量子資訊研究所高階科學家。

背後的中國科學家貢獻

得知諾獎再次授予量子科技領域的研究者，中國科技大學常務副校長、中科院院士潘建偉感到非常振奮。他說：“一方面，量子科技領域得到了肯定；另一方面，頒獎委員會在介紹獲獎者的工作時，提到了很多中國科學家所做的工作。我們覺得，為了這個領域的發展，中國科學家也作出了傑出貢獻。”

作為安東·塞林格的學生，頒獎委員會提到的安東·塞林格的研究工作，潘建偉院士是最主要的參與者之一。“頒獎委員會提到了我導師安東·塞林格的四篇量子通訊實驗文章。我是其中兩篇文章的第一作者，兩篇文章的第二作者。”潘建偉說。

同時，“頒獎委員會還提了另外三篇文章，而這三篇文章都是中國科學家獨立開展的研究工作。所以，從這一點講，我不僅是加入了塞林格的研究團隊，也參與了開創量子資訊物理學這個領域，我感到很幸運。”潘建偉說。

更重要的是，“在把獲獎科學家的夢想變成現實的過程中，中國科學家也作出了很大的貢獻。”在這方面的成績讓潘建偉感到很驕傲。

量子力學應用廣闊

量子力學現已開始得到應用，併產生了很廣闊的研究領域，其包括量子計算機、量子網路和更為安全的量子加密通訊。

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，正源於每一階段可應用範圍的不夠。

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，甚至超出了關於量子力學解釋的基本問題。”

近年來，我國也高度重視量子資訊科技的發展，在量子資訊科技領域突破了一系列重要科學問題和關鍵核心技術，產出了一批具有重要國際影響力的成果。

“總體而言，我國在量子通訊的研究和應用方面處於國際領先地位，在量子計算方面與發達國家處於同一水平線，在量子精密測量方面發展迅速。”潘建偉說。

他表示，量子通訊的發展目標是構建全球範圍的廣域量子通訊網路體系。透過光纖實現城域量子通訊網路、透過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連線、透過衛星平臺的中轉實現遙遠區域之間的連線，是廣域量子通訊網路的發展路線。

我國的城域量子通訊技術已初步滿足實用化要求，我國建成了國際上首條遠距離光纖量子保密通訊骨幹網“京滬幹線”，在金融、政務、電力等領域開展遠距離量子保密通訊的技術驗證與應用示範。在衛星量子通訊方面，我國研製併發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，在國際上率先實現了星地量子通訊，首次實現了洲際量子通訊，充分驗證了基於衛星平臺實現全球化量子通訊的可行性。

量子計算研究的核心任務是多量子位元的相干操縱。當前，量子計算研究已經實現“量子優越性”，即量子計算機對特定問題的計算能力超越傳統超級計算機，達到這一目標需要約50個量子位元的相干操縱。

2020年，潘建偉和陸朝陽等學者研製成功76個光子的量子計算原型機“九章”，推動了全球量子計算的前沿研究達到一個新高度，繼谷歌“懸鈴木”量子計算機之後，我國首次成功實現“量子計算優越性”的里程碑式突破。

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原標題：《打臉愛因斯坦，斬獲諾獎的量子糾纏到底何方神聖？》