潘建偉導師獲諾貝爾物理學獎！致辭提及4篇論文都有中國科學家參與

新智元報道

編輯：拉燕 桃子

【新智元導讀】2022年諾貝爾物理學獎頒給了來自法美奧的3位物理學家。他們通過研究證明了愛因斯坦的質疑是錯誤的，爲量子信息學奠定了基礎。

遇事不決，量子力學。

不負衆望，今年的諾貝爾物理學獎頒給了量子力學！

昨天下午，諾貝爾獎委員會宣佈將2022年物理學獎頒給法國物理學家Alain Aspect、美國物理學家John F. Clauser，以及奧地利物理學家Anton Zeilinger。

表彰他們「通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，並開創了量子信息科學」。

其實在2010年，這三位科學家已經獲得了沃爾夫物理學獎，表彰他們在量子糾纏領域的成就。

值得一提的是，其中一位還是中國「量子力學之父」潘建偉的導師。

是愛因斯坦錯了

在瞭解以上三位科學家在量子領域的具體貢獻前，我們需要知道什麼是量子糾纏？

是指粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象，即使相距遙遠，一個粒子的行爲也會影響另一個的狀態。

當其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態發生變化，另一顆也會即刻發生相應的狀態變化。

當時，愛因斯坦一直是量子力學的反對者，並且將這種跨越空間的、瞬間影響雙方的量子糾纏稱爲「鬼魅的超距作用」（spooky action at a distance)。

他還曾說，「我相信上帝不擲骰子」。

然而，剛剛拿獎的三位物理學家的成功證明愛因斯坦錯了。

1935年，愛因斯坦便和另外2個物理學家鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）寫了一篇著名的論文Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete？。

論文中，他們提出了一個原理質疑了量子力學的完備性：

後來，人們將他們的論證稱爲EPR悖論，或者愛因斯坦定域實在論。

這裡要明確的是，EPR論證並沒有質疑量子力學的正確性，它質疑的是量子力學的不完備性。

很快，這篇論文在量子力學界掀起一陣強風巨浪。然而，EPR悖論設計的是一個思想實驗，在當時是很難用實際的實驗結果去反駁。

直到1964年，貝爾不等式的提出爲所有人進行隱變量理論提供了實驗驗證方法。換言之，只要證明了這個不等式在量子世界中不成立，那麼愛因斯坦就是錯的。

此後，科學家們做了很多實驗。

第一個便是1972年由John F. Clauser進行的，然後哈佛以及德州農工大學研究人員也相繼進行了實驗。

實驗中，Clauser建造了一個精巧的儀器，通過將激光照射在特殊晶體上來創建糾纏的光子對，最後通過實驗證明了一個明顯違背貝爾不等式的結果。

但是這個實驗存在一些漏洞。最基本的漏洞便是「定域性漏洞」（locality loopholes）。

好在十年之後，還在讀博的Alain Aspect帶領團隊進行的實驗在修復漏洞後，彌補了這一侷限性。實驗結果同樣發現：貝爾不等式在量子世界不成立。

此後，許多物理學家都重複Aspect的實驗，並且運用更新的手段，使實驗模型越來越靠近愛因斯坦當年那個最原始的EPR設想。

但真正將量子糾纏從理論推向應用最重要的一個人物便是Anton Zeilinger。

除了通過實驗證明貝爾不等式，他還發現了糾纏的量子態具有存儲、傳輸和處理信息的潛力。

1997年，他和小組團隊首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成爲量子信息實驗領域的開山之作。

量子隱形傳態就是將未知量子態從一個粒子傳遞到另一個粒子的方式，而這過程不需要傳遞粒子本身。

就這樣，一代代科學家們歷經數十年用實驗數據證明了量子糾纏是存在的。

這也說明了，愛因斯坦的質疑是錯誤的。

中國「量子力學之父」導師

可以說，三位科學家是量子信息領域的第一代開創者。

而其中一位，奧地利物理學家Anton Zeilinger不僅是中國科大潘建偉院士的導師，還是中國科學院外籍院士。

至今，Zeilinger教授已經發表了538篇，共被引用76000餘次。他在理論和實驗上對量子物理基礎檢驗做出了開創性的貢獻：

在國際上率先開展中子、原子、大分子的量子干涉實驗；

實現了無局域性漏洞、無探測效率漏洞的量子力學非定域性檢驗；

提出並在實驗中製備首個多粒子糾纏態（GHZ態），在量子力學基礎檢驗和量子信息中起着關鍵作用。

而最值得一提的是，潘建偉是Zeilinger帶過的一箇中國博士生。

科技日報對潘建偉採訪中，他稱，

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，爲了這個領域的發展，中國科學家也作出了傑出貢獻。

據《知識分子》對潘建偉的專訪。

除了Zeilinger那篇理論文章之外，其他有Zeilinger名字的4篇量子通信實驗文章都有自己的名字，不是第一作者，就是第二作者。

此外，他後續還提到三篇文章，是中科大「墨子號」之後，中國的科學家做出來的一些相關的工作。

也就是說，潘建偉團隊一共7項工作，在諾獎致辭裡提到了前4項。

對於導師和自己的關係，潘建偉稱是師生，又是競爭者，也是合作者。

值得一提的是，Zeilinger還積極推動中奧國際學術交流與合作，還受聘爲中國科大、南京大學、西安交通大學的名譽教授。

中國科學院官網介紹，自1983年起，他與中國科學院以及中國工程院等機構長期保持着溝通和交流，並與多家單位建立密切合作關係。

其中，利用「墨子號」量子科學實驗衛星，他的團隊合作參與了中科院主導的洲際量子通信實驗，成果入選美國物理學會評選的2018年度國際物理學十大進展。

除了專心研究，Zeilinger教授也有很感性的另一面。

他不僅搞笑幽默，愛拉大提琴，還特別喜歡爵士樂和古典音樂。

Zeilinger教授還喜歡研究新奇的小工具，比如當他第一次看到計算器時，便和一羣人整個下午坐在一起對此進行研究。

他還曾在採訪中表示，自己還曾訂購了一臺iPhone 4。

拿獎拿到手軟的Aspect

Aspect畢業於Cachan高等師範學校，並在Orsay大學的高等光學學院（後來稱爲光學研究所研究生院）獲得碩士學位。

20世紀80年代初期，Aspect正寫着博士論文。

當時，他搞了個貝爾實驗，證明了愛因斯坦、波多爾斯基和羅森對量子力學的假設性歸納。

1983年，他於巴黎南方大學獲得了自己的博士學位。

後來，在他完成貝爾不等式的研究後，阿斯佩克特轉向了中性原子的激光冷卻研究，並主要參與了玻色-愛因斯坦凝聚體的相關實驗。

2015年，他當選爲英國皇家學會外籍會員。他是第一個在實驗證明量子力學使可分離的隱變量理論無效的過程中排除測量站之間的潛意識通信的人，也是第一個在實驗上證明單光子的波粒二象性的人。

2005年，他再次被授予國家科學研究中心的金質獎章，同時，他也是該中心的研究主任。

掛科兩次得諾獎？Clauser值得

而另一位諾獎得主，Clauser的經歷則更爲傳奇。

他出生在加利福尼亞州的帕薩迪納，在1964年就獲得了加州理工學院的物理學學士學位，之後於1966年獲得物理學碩士學位，1969年在哥倫比亞大學獲得物理學哲學博士學位，師從帕特里克·薩德斯。

可好玩兒的是，如今Clauser拿獎的科目，他上大學的時候還掛過兩次。

第一次聽說的時候，小編也是震驚的。

他在哥大上的高等量子力學連拿兩C，抱憾重修兩次。

而且，更好玩的是，不光考試掛科，他這人本身信仰就出現過問題。

曾經有一段時間，作爲一名現實主義，他堅信自己爲之奮鬥的量子力學一定得是錯的。

不然說不通！

於是，他就走在了推翻量子力學的大路上。推着推着，拿了一個諾獎。

哥大畢業以後，從1969年到1996年，他主要在勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加利福尼亞大學伯克利分校工作。

1972年，他對CHSH-貝爾定理的預測進行了首次實驗測試。

這也是他第一次在實驗中觀察到違反貝爾不等式的情況。

在1974年，他首次觀察到光的亞泊松統計（通過違反經典電磁場的考奇·施瓦茨不等式），從而首次證明了光子的明確的粒子狀特徵。

1976年，他對CHSH-貝爾定理的預測進行了世界上第二次實驗測試。

可見，Clauser的研究生涯都是在和量子力學打交道。

參考資料：

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

本文參考來自知識分子，文匯網、果殼的內容：

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