10月4日，瑞典皇家科學院宣布，法國科學家阿蘭·阿斯佩 (Alain Aspect)、美國科學家約翰·克勞澤 (John Clauser) 、奧地利科學家安東·塞林格 (Anton Zeilinger) 榮膺2022年諾貝爾物理學獎，以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信息科學所作出的貢獻。

中國科學家也作出了很大的貢獻

安東·塞林格是我國量子通信領軍人物、中國科學院院士潘建偉的導師。在諾貝爾獎的官方介紹中，大量引用了潘建偉團隊的成果與貢獻。在接受記者采訪時，潘建偉院士表示，包括他的導師在内的三位科學家獲得諾獎是實至名歸的，“甚至還有些晚了”。

回望量子物理70年，三位先驅貢獻尤為重要。早在2010年時，三位科學家因為量子力學非定域性檢驗和光量子信息處理的奠基性實驗，獲得了物理學領域的沃爾夫獎，但當時他們并沒有被授予諾獎。

近年來，量子信息科學領域取得了長足發展。“其中有兩個重要事件，一是我國量子科學實驗衛星‘墨子号’的發射，二是谷歌和中國科學家量子計算優越性的實現，使得今天三位獲獎科學家的先驅性貢獻顯得尤為重要。”潘建偉說，他們主要想辦法實現了量子糾纏，再用所産生的糾纏量子對來進行相關的量子信息處理的實驗。

潘建偉頗感自豪的是，塞林格此次得獎所列出的量子通信實驗論文，除一篇理論文章外，量子通信實驗相關的論文都有潘建偉的名字。“頒獎委員會提到了我導師安東·塞林格的四篇量子通信實驗文章。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，也參與了開創量子信息物理學這個領域，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。

超越日常體驗

當兩個粒子處于糾纏态時，人們隻要測量其中一個粒子的特性，那麼就可以立即确定另一個粒子的等效測量結果。

乍一看，這也許并不奇怪。我們可以換個角度，将粒子類比成黑色和白色的球。想象一個實驗，一個黑球朝一個方向發送，另一個白球朝相反方向發送。如果觀察者接住一個球并看到它是白色的，那麼可以立即得知向另一個方向行進的球是黑色的。

量子力學如此特别的原因在于，在被測量之前，量子力學中的“球”并沒有确定的狀态。就好像兩個球都是灰色的，直到有人看到其中一個。這時，這個球可能會呈現為黑色，也可能呈現為白色。而另一個球就會立即變成相反的顔色。

但問題在于，我們怎麼知道這些球最開始的顔色是不固定的呢？即使它們看起來是灰色的，但也許它們含有一個隐藏的标簽，标注了當有人看到它們時，這些球應該變成哪種顔色。

量子力學中相互糾纏的粒子對可以比作向相反方向抛出的相反顔色的球。當鮑勃接住一個球并看到它是黑色的時候，他能立即知道愛麗絲接住了一個白色的球。關于隐變量的理論認為，這些球總是包含了關于顯示什麼顔色的隐藏信息。然而，量子力學認為，在有人看到它們之前，這些球是灰色的，然後其中一個随機變成白色，而另一個變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實驗可以區分這兩種情況——實驗證明，量子力學的描述是正确的。

獲得今年諾貝爾物理學獎的研究的一個重要部分是貝爾不等式（Bell inequalities）。貝爾不等式使得科學家可以通過實驗，區分量子力學和隐變量這兩種理論。實驗表明，正如量子力學所預測的那樣，這些球是灰色的，沒有包含任何隐藏信息。在實驗中，哪個球變成黑色、哪個變成白色，是概率決定的。

量子力學最重要的資源

糾纏的量子态提供了存儲、傳輸和處理信息的新可能性。

如果一對相互糾纏的粒子同時向相反的方向行進，其中一個粒子與第三個粒子發生糾纏，有趣的現象就會出現。它們将轉化為一個新的共享态。第三個粒子會失去獨立性，但它的量子态屬性會轉移到與它糾纏的粒子（原始糾纏粒子對之一）上。糾纏現在已從原始對轉移到單獨的粒子。這種将未知量子态從一個粒子轉移到另一個粒子的方式被稱為量子隐形傳态。1997年， 安東·塞林格和他的同事，首次實現了量子隐形傳态的實驗。

值得注意的是，量子隐形傳态是将量子信息從一個系統傳輸到另一個系統時，不會損失任何信息的唯一方法。想要測量一個量子系統的所有屬性，而後傳輸這些信息并以此來重建整個系統是絕對不可能的。量子系統可以用概率疊加的量子态來完全描述，這意味着一個量子系統同時包含了多個量子态，每一個量子态都有一定的概率在測量時出現。

而一旦進行測量，那麼量子系統就會坍縮為一個量子态，也就是通過測量系統觀測到的态。而量子系統所有與測量得到的末态相疊加的态，在觀測後将完全消失，任何方法都不能再對其進行測量。然而，通過量子隐形傳态，我們可以将完全未知的量子态信息完好無損地轉移到新的粒子中，但代價是破壞原始粒子所攜帶的信息。

科學家通過實驗證明了這一點，下一步就是嘗試兩對糾纏粒子間的量子隐形傳态。如果兩對糾纏的粒子對中的一個粒子，以特定方式聚集在一起，那麼兩對中未受幹擾的粒子可能會發生糾纏，盡管它們從未相互接觸。1998 年，安東·蔡林格的研究小組首次證明了粒子對間糾纏的交換。

糾纏的光子對可以通過光纖以相反的方向傳輸，并在量子網絡中充當信号。兩組糾纏粒子對間發生的糾纏，使得擴展量子網絡節點之間的距離成為可能。通常，光子在被吸收或失去其量子特性前，能通過光纖傳輸的距離是有限的。雖然普通的光信号可以通過光纖一路放大，但這不适用于糾纏的光子對。光信号放大器需要捕獲和測量光子來實現放大作用，這些操作正破壞了光子對的糾纏。而粒子對間的糾纏交換意味着可以将原始的量子态傳輸得更遠，實現相比其他方式更長的超遠距離傳輸。

兩對糾纏的粒子對從不同的來源發射。每對中的一個粒子（圖中的2和3）通過一種特殊的方式發生糾纏。由此，另外兩個粒子（圖中的 1 和 4）也将發生糾纏。這樣，兩個從未接觸過的粒子就能糾纏到一起。

從佯謬到不等式

事實上，這一進展基于多年的研究發展。它始于令人難以置信的發現：量子力學允許将單個量子系統劃分為彼此分離，同時仍表現為一個整體的多個單元。

這違背了所有關于因果和現實本質的常見觀點。一個系統如何在受到其他地方系統影響的同時，卻不受它傳遞的信号影響？物理規律決定了，信号的傳播速度不能超過光速——但在量子力學中，似乎根本不需要信号來連接擴展系統的不同部分。

阿爾伯特·愛因斯坦認為這是不可行的。他和同事鮑裡斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）、内森·羅森（Nathan Rosen）一起研究了這種現象。他們在 1935 年提出了他們的推論：量子力學似乎沒有提供對現實的完整描述。根據研究人員的姓名首字母，這個推論被稱為 EPR 佯謬。

問題是，是否可以對世界進行更完整的描述，而量子力學隻是其中的一部分。例如一種解釋方法是，粒子總是攜帶了一些隐藏的信息，這些信息表明它們将顯示什麼樣的實驗結果。以此推測，所有測量行為都包含了測量發生位置的信息。這種類型的信息通常稱為局域隐變量。

在歐洲核子研究中心（CERN）工作的北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾 (John Stewart Bell，1928-1990) 仔細研究了這個問題。他發現有一種實驗可以驗證世界是否完全符合量子力學規律，或者是否可以有另一種帶有隐變量的描述。如果這個實驗重複多次，所有隐變量相關的理論都顯示出結果之間的相關性必須低于或至多等于某個特定值，也就是貝爾不等式。

然而，量子力學可以違反這個不等式，也就是結果之間的相關性可以大于特定值。

1960年代，約翰·克勞澤還是一名學生時，他就對量子力學的基礎知識産生了興趣。當他讀到了約翰·貝爾的想法後，他忍不住不停地思考這種方法的可能性。最終，他和其他三名研究人員提出了一個可以在現實中實現的實驗，來測試貝爾不等式。

該實驗涉及向相反方向發送一對糾纏粒子。在實踐中，使用了具有偏振特性的光子。當粒子被發射時，極化方向是不确定的，唯一可以确定的是粒子具有平行極化。

利用允許通過特定方向偏振光的濾光片，就可以研究光子的偏振特性。許多太陽鏡中就用到了這種濾光片，它可以阻擋在某個平面上被偏振的光，例如水反射的光就包含了偏振光。

如果實驗中的兩個粒子都被發送到平行放置的濾光片，比如兩個垂直放置的濾光片，如果一個粒子能夠通過——那麼另一個也會通過。而如果兩個濾光片彼此成直角，那麼其中一個粒子會被阻擋，而另一個将通過。關鍵在于，使用以不同傾角放置的濾光片進行測量時，結果可能會有所不同：有時兩個粒子都能通過，有時隻有一個，有時沒有。兩個粒子同時通過濾光片的概率取決于濾光片之間的角度。

量子力學導緻了測量結果之間的相關性。一個粒子通過濾光片的可能性，取決于另一個粒子在進行實驗時濾光片設置的角度。這意味着，在某些角度時，兩個測量結果的相關性将違反貝爾不等式。而如果結果由隐變量控制，那麼在粒子發射時就已經能預先确定，結果間也會具有更強的相關性。

被違反的不等式

約翰·克勞澤立即開始實驗。他建造了一個裝置，一次發射兩個糾纏光子，每個都打向檢測偏振的濾光片。1972年，他與博士生斯圖爾特·弗裡德曼（Stuart Freedman，1944-2012）一起，展示了一個明顯違反貝爾不等式的結果，并與量子力學的預測一緻。

在接下來的幾年裡，約翰·克勞澤和其他物理學家繼續讨論這個實驗及其局限性。局限之一是，該實驗在制備和捕獲粒子方面效率低下。而且由于測量是預先設置好的，濾光片的角度是固定的，因此存在漏洞，觀察者可以質疑：如果實驗裝置碰巧以某種方式選擇了具有強相關性的粒子，而沒有檢測到其他粒子，該怎麼辦？如果是這樣，粒子仍然可能攜帶隐藏的信息。

這個特殊的漏洞難以消除，因為糾纏在一起的量子态是如此脆弱，難以管理。因此有必要處理單個光子。當時還在法國讀博的阿蘭·阿斯佩沒有被困難吓倒，他建立了一個新版的實驗，并叠代改進了幾次。在他的實驗中，他可以記錄下哪些光子通過了濾光片、哪些沒有。這意味着有更多光子被檢測到了，測量效果更好。

在他最終版本的測試中，他還能夠将光子引導到兩個角度不同的濾光片。這種策略是一種機制，可以在糾纏光子對被制備後，改變它的方向。濾光片隻有六米遠，因此改變需要在幾個十億分之一秒的時間内完成。如果關于光子将到達哪個濾光片的信息會影響它從光源發射的方式，那麼它就不會到達該濾光片。關于實驗另一側的濾光片的信息也不能到達另一側并影響那裡的測量結果。

阿蘭·阿斯佩通過這種方式補上了一個重要的漏洞，并提供了一個非常明确的結果：量子力學是正确的，不存在隐變量。

量子信息時代

這些實驗以及類似的實驗為當前對量子信息科學的深入研究奠定了基礎。

能夠操縱和管理量子态及其所有屬性使我們能夠實現一種工具，而後者具有我們預料之外的潛力。這是量子計算、量子信息的傳輸和存儲，以及量子加密算法的基礎。現在，具有兩個以上粒子的系統（所有粒子都糾纏在一起）正在進入實際應用，安東·塞林格和他的同事們是第一個探索的。

約翰·克勞澤使用了鈣原子。他用一種特殊的光照射鈣原子之後，可以發射糾纏光子。他在兩側用濾光片測量光子的偏振。經過一系列測量，他證明它們違反了貝爾不等式。

阿蘭·阿斯佩開發了這個實驗，通過一種新的激發原子的方法，使它們以更高的速率發射糾纏光子。他還可以在不同的設置之間切換，這樣系統就不會包含任何可能影響結果的預先信息。

安東·塞林格後來對貝爾不等式進行了更多測試。他通過将激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用随機數切換測量設置。一項實驗使用來自遙遠星系的信号來控制濾光片并确保信号不會相互影響。

這些日趨完善的工具讓我們離實際應用更近了。現在已經證明，通過數十千米光纖發送的光子之間，以及衛星和地面站的光子之間都能建立糾纏态。在很短的時間内，世界各地的研究人員發現了許多利用量子力學最強大特性的新方法。

第一次量子革命給了我們晶體管和激光，但由于可以操縱糾纏量子系統的現代工具，我們現在正在進入一個新時代。

我國有一批具有重要國際影響力的成果

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

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

他表示，量子通信的發展目标是構建全球範圍的廣域量子通信網絡體系。通過光纖實現城域量子通信網絡、通過中繼器實現鄰近兩個城市之間的連接、通過衛星平台的中轉實現遙遠區域之間的連接，是廣域量子通信網絡的發展路線。

我國的城域量子通信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信骨幹網“京滬幹線”，在金融、政務、電力等領域開展遠距離量子保密通信的技術驗證與應用示範。在衛星量子通信方面，我國研制并發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子号”，在國際上率先實現了星地量子通信，首次實現了洲際量子通信，充分驗證了基于衛星平台實現全球化量子通信的可行性。

量子計算研究的核心任務是多量子比特的相幹操縱。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，達到這一目标需要約50個量子比特的相幹操縱。

2020年，潘建偉和陸朝陽等學者研制成功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”的裡程碑式突破。

然而，“我國在量子精密測量領域起步較晚，整體上相比發達國家存在一定的差距，但近年來已經迅速縮小了差距，在若幹研究方向上與公開報道的國際最高水平相當。”潘建偉說。

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