2022年诺贝尔物理学奖今天揭晓，授予法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳瑟（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们为量子纠缠实验、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。
值得一提的是，塞林格是中国科学院院士潘建伟的导师。潘建伟带领团队所做的一系列工作，发展了塞林格开创的多体量子纠缠研究方向。潘建伟的学生、上海交通大学教授金贤敏表示，三位诺奖得主开启了第二次量子科技革命，这一革命已接近产业化阶段，将与人工智能等新一代信息技术交织在一起，形成颠覆性创新成果。
EPR实验驳倒爱因斯坦
今年诺贝尔物理学奖“花落”量子科技。“这个科技领域的基础是量子力学，它是一种有助于我们理解世间万物的理论。”金贤敏说。所谓量子，是一个物理量不可分割的最小单位。某个物理量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，它就是量子化的。好比走楼梯，我们只能登上一个台阶，而不能登上半个。科学家发现，宏观世界里的物理量似乎都能连续变化，但在微观世界，许多物理量是量子化的。
左起：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟、安东·塞林格
量子力学诞生后，爱因斯坦等物理学家提出了质疑。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为“EPR”（三人姓名的首字母）的思想实验：制备A、B两个粒子的“圆”态，使它们在这一状态中的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的偏振）相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定；再将它们在空间上分开得很远（比如几光年）；随后测量粒子A的这个性质。当测得A是“上”，那么测量者立刻就知道B的性质是“下”。
在爱因斯坦看来，EPR思想实验是不可能实现的，一个粒子的性质发生变化，另一个与它处于纠缠态的粒子怎么可能瞬间“感应”到它的状态，从而发生变化？他把量子纠缠态称为“幽灵般的超距作用”。为了破解这个物理学界的“公案”，英国物理学家贝尔提出了贝尔不等式和贝尔定理，使EPR佯谬成为一个可以用实验检验的问题。
上世纪80年代，阿斯佩利用已成熟的技术条件做了EPR实验。结果发现：处于量子纠缠态的两个粒子居然真的具有超时空关联！它们无论相隔多远，一个粒子的量子态确定时，另一个粒子的量子态也瞬间确定。阿斯佩的这项开创性工作，不仅驳倒了爱因斯坦，也启动了第二次量子科技革命。
科学家能操纵单量子态
20世纪40年代，第一次量子科技革命爆发，催生了原子弹、半导体晶体管、激光器等重要成果。上世纪末以来，第二次量子科技革命在信息技术领域兴起，催生了量子通信、量子测量、量子计算等创新成果。特别是量子计算，有望颠覆人类目前使用的电子计算机，在运算效率上将经典超级计算机甩在身后。
“第一次量子科技革命，实现了在系综级别操纵量子。而第二次革命，让人类高精度、大规模、远距离操纵单量子态成为可能。”金贤敏告诉记者，在这一科技突破过程中，他的师公塞林格作出了重要的理论和实验贡献——将阿斯佩实现的两个粒子纠缠，提升为3个及以上粒子的多体纠缠。
另一位获奖者克劳瑟也对量子纠缠做出了重要贡献。半个世纪之前，克劳瑟就与合作者在世界上第一次观察到量子纠缠，这也是第一次对违反贝尔不等式的实验观察，确定贝尔不等式在量子世界中并不成立。此后，他又进行了世界上第二次对贝尔定理预测的实验检验。
“所谓量子纠缠现象，就是两个共同来源的微观粒子，无论它们分开多远，一旦其中一个粒子发生变化，会立即影响到另一个粒子。好像一对孪生儿，彼此存在‘心灵感应’。”李政道研究所量子基础科学研究部的李政道学者钟瑞丹认为，这种纠缠现象，别说对于老百姓，对于科研工作者也是很神奇的。
她给学生打了一个比方：地球上有一对夫妻，丈夫去太空参加星球大战，不幸战死。那么在地球上，他的妻子在丈夫战死的一瞬间就成为一个寡妇，也就是说两人的状态同时发生了变化。钟瑞丹说：“我们只需要有办法探测地球上妻子的状态，到底是在婚还是守寡，就能判断遥远的星球上发生了怎样的战事。妻子与丈夫之间某种纠缠关系就类似于量子纠缠。”
潘建伟院士（右）和学生陆朝阳在实验室。
量子科学应用价值巨大
在三位诺奖得主理论和实验贡献的支撑下，量子信息科学的应用价值日益显现。
利用量子叠加态等科学原理，人们可以进行量子保密通信。潘建伟院士解释，经典通信的信号只有0和1，发生窃听时，这两种信号都不会被扰动。量子通信与之不同，不但有信号0和1，还有0 1、0-1等量子叠加态。根据量子力学的不确定性和不可克隆原理，量子信号一旦被窃听，量子叠加态就会受到扰动，有可能“塌缩”成另一种量子态。这样一来，通信双方就能立即察觉。
2016年8月，我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射成功，实现了星地之间1000公里级量子纠缠、密钥分发及隐形传态。“墨子号”还实现了中国和奥地利之间长达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥完成了加密数据传输和视频通信。这项成果为未来构建全球量子通信网络奠定了基础。
科研人员在量子科学实验卫星总控中心工作。新华社发
与量子通信相比，量子计算是一个更热门的前沿科技领域。根据量子叠加态原理，一个粒子可以既处于“0”又处于“1”的状态，两个处于叠加态的粒子发生量子纠缠后，就会有4种状态（2的2次方）。如果100个粒子发生量子纠缠，则会出现2的100次方种状态。如此海量的状态，可以让量子计算机拥有超强的并行计算能力。
《量子信息和量子技术白皮书（合肥宣言）》预测，量子计算研发分为3个阶段：第一阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机；第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，这需要全球科技界的长期努力。
预计未来10—20年内，一批专用量子模拟系统将研发成功，用于催化化学反应模拟、高温超导材料制备等科研工作。它们的运算效率有望比经典计算机高得多，从而大幅提升这些领域的科研效率。
栏目主编：黄海华
来源：作者：俞陶然 徐瑞哲
