遇事不決，量子力學(xué)。

不負(fù)眾望，今年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給了量子力學(xué)！

昨天下午，諾貝爾獎委員會宣布將2022年物理學(xué)獎頒給法國物理學(xué)家Alain Aspect、美國物理學(xué)家John F. Clauser，以及奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger。

表彰他們「通過光子糾纏實(shí)驗(yàn)，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)」。

其實(shí)在2010年，這三位科學(xué)家已經(jīng)獲得了沃爾夫物理學(xué)獎，表彰他們在量子糾纏領(lǐng)域的成就。

值得一提的是，其中一位還是中國「量子力學(xué)之父」潘建偉的導(dǎo)師。

是愛因斯坦錯了

在了解以上三位科學(xué)家在量子領(lǐng)域的具體貢獻(xiàn)前，我們需要知道什么是量子糾纏？

是指粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，即使相距遙遠(yuǎn)，一個粒子的行為也會影響另一個的狀態(tài)。

當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。

當(dāng)時，愛因斯坦一直是量子力學(xué)的反對者，并且將這種跨越空間的、瞬間影響雙方的量子糾纏稱為「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(xué)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(xué)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(zhì)疑了量子力學(xué)的完備性：

即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速，也就是說量子糾纏超距作用違反了定域性原理。

后來，人們將他們的論證稱為EPR悖論，或者愛因斯坦定域?qū)嵲谡摗?/span>

這里要明確的是，EPR論證并沒有質(zhì)疑量子力學(xué)的正確性，它質(zhì)疑的是量子力學(xué)的不完備性。

很快，這篇論文在量子力學(xué)界掀起一陣強(qiáng)風(fēng)巨浪。然而，EPR悖論設(shè)計(jì)的是一個思想實(shí)驗(yàn)，在當(dāng)時是很難用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果去反駁。

直到1964年，貝爾不等式的提出為所有人進(jìn)行隱變量理論提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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，那么愛因斯坦就是錯的。

此后，科學(xué)家們做了很多實(shí)驗(yàn)。

第一個便是1972年由John F. Clauser進(jìn)行的，然后哈佛以及德州農(nóng)工大學(xué)研究人員也相繼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)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(chuàng)建糾纏的光子對，最后通過實(shí)驗(yàn)證明了一個明顯違背貝爾不等式的結(jié)果。

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

好在十年之后，還在讀博的Alain Aspect帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)在修復(fù)漏洞后，彌補(bǔ)了這一局限性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)：貝爾不等式在量子世界不成立。

此后，許多物理學(xué)家都重復(fù)Aspect的實(shí)驗(yàn)，并且運(yùn)用更新的手段，使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮絹碓娇拷鼝垡蛩固巩?dāng)年那個最原始的EPR設(shè)想。

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

除了通過實(shí)驗(yàn)證明貝爾不等式，他還發(fā)現(xiàn)了糾纏的量子態(tài)具有存儲、傳輸和處理信息的潛力。

1997年，他和小組團(tuán)隊(duì)首次完成了量子****傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作。

量子****傳態(tài)就是將未知量子態(tài)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(xué)家們歷經(jīng)數(shù)十年用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了量子糾纏是存在的。

這也說明了，愛因斯坦的質(zhì)疑是錯誤的。

中國「量子力學(xué)之父」導(dǎo)師

可以說，三位科學(xué)家是量子信息領(lǐng)域的第一代開創(chuàng)者。

而其中一位，奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger不僅是中國科大潘建偉院士的導(dǎo)師，還是中國科學(xué)院外籍院士。

至今，Zeilinger教授已經(jīng)發(fā)表了538篇，共被引用76000余次。他在理論和實(shí)驗(yàn)上對量子物理基礎(chǔ)檢驗(yàn)做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)：

在國際上率先開展中子、原子、大分子的量子干涉實(shí)驗(yàn)；

實(shí)現(xiàn)了無局域性漏洞、無探測效率漏洞的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)；

提出并在實(shí)驗(yàn)中制備首個多粒子糾纏態(tài)（GHZ態(tài)），在量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子信息中起著關(guān)鍵作用。

而最值得一提的是，潘建偉是Zeilinger帶過的一個中國博士生。

科技日報對潘建偉采訪中，他稱，

一方面，量子科技領(lǐng)域得到了肯定；另一方面，頒獎委員會在介紹獲獎?wù)叩墓ぷ鲿r，提到了很多中國科學(xué)家所做的工作。我們覺得，為了這個領(lǐng)域的發(fā)展，中國科學(xué)家也作出了杰出貢獻(xiàn)。

據(jù)《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(shí)驗(yàn)文章都有自己的名字，不是第一作者，就是第二作者。

此外，他后續(xù)還提到三篇文章，是中科大「墨子號」之后，中國的科學(xué)家做出來的一些相關(guān)的工作。

也就是說，潘建偉團(tuán)隊(duì)一共7項(xiàng)工作，在諾獎致辭里提到了前4項(xiàng)。

對于導(dǎo)師和自己的關(guān)系，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(xué)術(shù)交流與合作，還受聘為中國科大、南京大學(xué)、西安交通大學(xué)的名譽(yù)教授。

中國科學(xué)院官網(wǎng)介紹，自1983年起，他與中國科學(xué)院以及中國工程院等機(jī)構(gòu)長期保持著溝通和交流，并與多家單位建立密切合作關(guān)系。

其中，利用「墨子號」量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，他的團(tuán)隊(duì)合作參與了中科院主導(dǎo)的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)，成果入選美國物理學(xué)會評選的2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)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(dāng)他第一次看到計(jì)算器時，便和一群人整個下午坐在一起對此進(jìn)行研究。

他還曾在采訪中表示，自己還曾訂購了一臺iPhone 4。

拿獎拿到手軟的Aspect

20世紀(jì)80年代初期，Aspect正寫著博士論文。

當(dāng)時，他搞了個貝爾實(shí)驗(yàn)，證明了愛因斯坦、波多爾斯基和羅森對量子力學(xué)的假設(shè)性歸納。

1983年，他于巴黎南方大學(xué)獲得了自己的博士學(xué)位。

后來，在他完成貝爾不等式的研究后，阿斯佩克特轉(zhuǎn)向了中性原子的激光冷卻研究，并主要參與了玻色-愛因斯坦凝聚體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2015年，他當(dāng)選為英國皇家學(xué)會外籍會員。他是第一個在實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)研究中心的金質(zhì)獎?wù)拢瑫r，他也是該中心的研究主任。

掛科兩次得諾獎？Clauser值得

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(xué)院的物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，之后于1966年獲得物理學(xué)碩士學(xué)位，1969年在哥倫比亞大學(xué)獲得物理學(xué)哲學(xué)博士學(xué)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(xué)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(xué)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(xiàn)過問題。

曾經(jīng)有一段時間，作為一名現(xiàn)實(shí)主義，他堅(jiān)信自己為之奮斗的量子力學(xué)一定得是錯的。

不然說不通！

于是，他就走在了推翻量子力學(xué)的大路上。推著推著，拿了一個諾獎。

哥大畢業(yè)以后，從1969年到1996年，他主要在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校工作。

1972年，他對CHSH-貝爾定理的預(yù)測進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)測試。

這也是他第一次在實(shí)驗(yàn)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(tǒng)計(jì)（通過違反經(jīng)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征。

1976年，他對CHSH-貝爾定理的預(yù)測進(jìn)行了世界上第二次實(shí)驗(yàn)測試。

可見，Clauser的研究生涯都是在和量子力學(xué)打交道。

來源：新智元