為第二次量子革命奠定基礎-糾纏光子實驗——解讀2022年諾貝爾物理學獎

2022年10月05日08:57 | 來源：新華網

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新華社北京10月4日電 以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命、曾被愛因斯坦質疑的量子糾纏、中國在全球率先發射的量子衛星……這些都是與剛剛揭曉的2022年諾貝爾物理學獎相關的熱門話題。

瑞典皇家科學院4日宣布，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·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學”方麵所做出的貢獻。

10月4日，在瑞典斯德哥爾摩舉行的2022年諾貝爾物理學獎公布現場，屏幕上顯示獎項得主阿蘭·阿斯佩（左）、約翰·克勞澤（中）和安東·蔡林格的照片。新華社記者 任鵬飛 攝

量子力學從上世紀初誕生以來，催生了晶體管、激光等重大發明，這被科學界稱為第一次量子革命。近來，以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命又在興起。瑞典皇家科學院在諾獎公報中說，今年三位獲獎者在量子糾纏實驗方麵的貢獻，“為當前量子技術領域正發生的革命奠定了基礎”。

量子糾纏長期是量子力學中最具爭議的問題之一。量子糾纏是一種奇怪的量子力學現象，處於糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變，另一個的狀態會瞬時發生相應改變。

在很長一段時間裏，以愛因斯坦為代表的部分物理學家對量子糾纏持懷疑態度，愛因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”。他們認為量子理論是“不完備”的，糾纏的粒子之間存在著某種人類還沒觀察到的相互作用或信息傳遞，也就是“隱變量”。

20世紀60年代，物理學家約翰·貝爾提出可用來驗證量子力學的“貝爾不等式”。如果貝爾不等式始終成立，那麽量子力學可能被其他理論替代。

為了對貝爾不等式進行驗證，美國科學家約翰·克勞澤設計了相關實驗，其中使用特殊的光照射鈣原子，由此發射糾纏的光子，再使用濾光片來測量光子的偏振狀態。經過一係列測量，克勞澤能夠證明實驗結果違反了貝爾不等式，且與量子力學預測相符。

但這個實驗具有局限性，原因包括實驗裝置在產生和捕獲粒子方麵效率較低、濾光片處於固定角度等。在此基礎上，法國科學家阿蘭·阿斯佩設計了新版本的實驗，測量效果更好。阿斯佩填補了克勞澤實驗的重要漏洞，並提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，且沒有“隱變量”。

奧地利科學家安東·蔡林格後來對貝爾不等式進行了更多的實驗驗證。其中一項實驗使用了來自遙遠星係的信號來控製濾波器，確保信號不會相互影響，進一步證實了量子力學的正確性。蔡林格和同事還利用量子糾纏展示了一種稱為量子隱形傳態的現象，即將量子態從一個粒子轉移到另一個粒子。其團隊還在量子通信等方麵有諸多研究進展。

其中一項重要成果就是，2017年中國與奧地利科學家借助中國的“墨子號”量子衛星，成功實施世界首次量子保密的洲際視頻通話。這也是為什麽諾貝爾物理學獎評委托爾斯·漢斯·漢森在現場解讀獲獎成果時，展示了一張含有中國量子衛星的圖片，其上顯示了中國和歐洲之間的洲際量子通信實驗。

諾獎官方公報說，世界各地的研究人員已經發現了許多利用量子力學強大特性的新方法，而這些都得益於今年三位獲獎者的貢獻。他們掃除了貝爾不等式等“攔路虎”，這也是為什麽公報稱讚“他們的結果為基於量子信息的新技術掃清了道路”