·以糾纏光子驗(yàn)證貝爾不等式不成立，不僅是對(duì)量子力學(xué)基本問題的解答，更重要的是開啟了糾纏態(tài)在量子通信、量子精密測(cè)量中的應(yīng)用。

北京時(shí)間10月4日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?cè)诹孔有畔⒖茖W(xué)研究方面作出的貢獻(xiàn)。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)了量子信息這一學(xué)科。

澎湃科技連線多位量子信息領(lǐng)域科學(xué)家，解讀三位諾獎(jiǎng)獲得者的學(xué)術(shù)突破性貢獻(xiàn)、研究意義及該領(lǐng)域的目前發(fā)展。

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser） 和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger） 圖片來源：諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)

澎湃科技：你在之前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了2022諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三位獲獎(jiǎng)人，當(dāng)時(shí)為什么有這樣的預(yù)測(cè)？

薛鵬（北京計(jì)算科學(xué)研究中心教授）：這三位科學(xué)家在2010年就因?yàn)閷?duì)量子物理學(xué)的基礎(chǔ)概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)獲得沃爾夫獎(jiǎng)，像Inside Science于2019年，2020年，2021年連續(xù)三年都預(yù)測(cè)他們有可能獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。我也是認(rèn)為他們實(shí)至名歸，應(yīng)該獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

澎湃科技：對(duì)于今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落量子信息，物理學(xué)界是什么樣的反應(yīng)，這在預(yù)期之中嗎？

金賢敏（上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授）：最近的國際性的科學(xué)大事件確實(shí)比較集中在量子信息領(lǐng)域，比如：今年上半年舉辦的第28屆索爾維物理學(xué)大會(huì)的主題就是量子信息（The physics of quantum information）；上個(gè)月科學(xué)突破獎(jiǎng)（Breakthrough Prize）的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了量子信息領(lǐng)域的Charles Bennett、Gills Brassard、David Deutsch、Peter Shor，表彰他們?cè)诹孔有畔㈩I(lǐng)域的奠基性工作。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落量子信息，并不感到意外。

武愕（華東師范大學(xué)-阿爾伯塔大學(xué)先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)聯(lián)合研究院執(zhí)行院長）：這是在很多人的預(yù)期之中的。最近這些年量子信息技術(shù)得到了迅速發(fā)展，量子信息技術(shù)逐步走向?qū)嵱没呦驅(qū)θ祟惿鐣?huì)有所貢獻(xiàn)，也就是諾貝爾獎(jiǎng)設(shè)立的初衷，因此大家都預(yù)期近幾年量子信息會(huì)在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)有所斬獲。

澎湃科技：你怎么評(píng)價(jià)這三位科學(xué)家的突破性貢獻(xiàn)？

薛鵬：總的來說，這三位科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了貝爾不等式的違背，從而證明了量子力學(xué)的完備性。

當(dāng)初愛因斯坦和哥本哈根學(xué)派有一個(gè)爭(zhēng)議——量子力學(xué)是不是完備的，沒有人認(rèn)為量子力學(xué)是錯(cuò)誤的，但對(duì)于其是不是完備，曾經(jīng)有過很長時(shí)間的爭(zhēng)論。愛因斯坦這一方，希望把量子力學(xué)中的一些現(xiàn)象跟宏觀世界中的一些現(xiàn)象對(duì)比，比如貝爾不等式就涉及到局域的實(shí)在性。宏觀世界當(dāng)中有局域的實(shí)在性，比如說宏觀世界中所有的相互作用都跟距離有關(guān)系，距離越遠(yuǎn)相互作用越弱。而量子力學(xué)中沒有局域性，比如量子糾纏就屬于量子非局域。所以，在大家對(duì)局域性和非局域性沒有認(rèn)識(shí)很清楚的時(shí)候，就會(huì)認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的，就會(huì)有很多爭(zhēng)議。

后來戴維·波姆在1952年通過引入“隱變量”理論做了一個(gè)非常好的解釋，在局域?qū)嵲谡摰幕A(chǔ)上形成了一個(gè)完全決定性的理論——局域隱變量理論。他認(rèn)為是一種隱變量在操控整個(gè)量子世界中那些看起來不可思議的事情，但是具體是什么樣的變量他也不知道。而貝爾定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，旨在測(cè)試量子力學(xué)理論與局域隱變量理論哪個(gè)正確。1964年，John Bell定義了一個(gè)可觀測(cè)量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的測(cè)量值都不大于2。而用量子力學(xué)理論，可以得出大于2的測(cè)量值。一旦實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯(cuò)誤的。

在宏觀的世界中去驗(yàn)證貝爾不等式，你就永遠(yuǎn)會(huì)得到貝爾不等式成立。那么，這就意味著量子力學(xué)是不完備的。后來，這三位科學(xué)家就相繼在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了貝爾不等式在量子力學(xué)的框架下會(huì)被違背，量子力學(xué)是完備的。

武愕：三位科學(xué)家在驗(yàn)證貝爾不等式方面的突破貢獻(xiàn)為量子信息技術(shù)大廈的奠定了基石。

阿蘭·阿斯佩在實(shí)驗(yàn)中以新的方式激發(fā)原子，能以更高的速率發(fā)射出糾纏的電子，同時(shí)，他可以切換實(shí)驗(yàn)參數(shù)，這樣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中就不會(huì)有預(yù)先信息影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

尹璋琦（北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授）：John Clauser、Alan Aspect、Anton Zeilinger三人的研究直擊量子力學(xué)最核心的基礎(chǔ)問題，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證貝爾不等式。

貝爾不等式的根源來自于1935年愛因斯坦、波多斯基和羅森三人提出的一個(gè)佯謬，也就是EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯謬：要么量子理論是不完備的，要么量子力學(xué)會(huì)導(dǎo)致超光速的作用，與局域性相違背。EPR佯謬并沒有質(zhì)疑量子力學(xué)的正確性，而是質(zhì)疑量子力學(xué)的不完備性。

1964年，英國物理學(xué)家約翰·貝爾定義了一個(gè)可觀測(cè)量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的測(cè)量值都不大于2，而用量子理論，可以得出其最大值可以到2√2。一旦實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯(cuò)誤的。此前貝爾一直站在愛因斯坦一方，貝爾研究隱變量理論的初衷是要證明量子理論非局域性有誤，可后來所有實(shí)驗(yàn)都表明局域隱變量理論預(yù)言有誤，而量子理論的預(yù)言與實(shí)驗(yàn)一致。貝爾不等式的誕生宣告量子理論的局域性爭(zhēng)議從帶哲學(xué)色彩純粹思辨變?yōu)閷?shí)驗(yàn)可證偽的科學(xué)理論。

約翰·克勞澤證明貝爾不等式不成立的實(shí)驗(yàn)：用特殊的光激發(fā)鈣原子，發(fā)射出兩個(gè)糾纏的光子，然后在兩端用濾光片測(cè)量其偏振情況。

John Clauser發(fā)展了貝爾的想法。1972年，John Clauser等人完成第一次貝爾定理實(shí)驗(yàn)，因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之間距離太小，不足以說明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有說服力。

1982年，Alan Aspect等人改進(jìn)了Clauser的貝爾定理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反貝爾定理。

1998年，Anton Zeilinger等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成貝爾定理實(shí)驗(yàn)，徹底排除定域性漏洞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有決定性。

2015年，Anton Zeilinger完成了無漏洞的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)排出定域性漏洞和測(cè)量漏洞。

澎湃科技：諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席Anders Irb?ck說“獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問題”。如何理解這句話？

金賢敏：量子糾纏是一個(gè)很神奇的現(xiàn)象，糾纏對(duì)中的一個(gè)粒子發(fā)生的情況決定了另一個(gè)粒子會(huì)發(fā)生什么，即使它們相距很遠(yuǎn)。很長一段時(shí)間以來，學(xué)界的爭(zhēng)論在于相關(guān)性是否是因?yàn)榧m纏對(duì)中的粒子包含隱藏的變量，這些指令告訴它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中應(yīng)該給出哪個(gè)結(jié)果。在20世紀(jì)60年代，約翰·斯圖爾特·貝爾發(fā)展了以他的名字命名的數(shù)學(xué)不等式。這說明，如果存在隱藏變量，則大量測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性永遠(yuǎn)不會(huì)超過某個(gè)值。然而，量子力學(xué)預(yù)測(cè)，某種類型的實(shí)驗(yàn)將違反貝爾不等式，從而導(dǎo)致比本來可能更強(qiáng)的相關(guān)性。

在糾纏量子態(tài)中，即使兩個(gè)粒子分離，它們也表現(xiàn)得像一個(gè)單獨(dú)的單元。2022年物理諾貝爾獎(jiǎng)得主們的研究結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路。

薛鵬：糾纏是量子信息里最重要也最基礎(chǔ)的一個(gè)單元，像現(xiàn)在我們所涉及到的量子保密通信，量子通信、量子計(jì)算等等，它們的基礎(chǔ)都建在量子糾纏之上。正是因?yàn)榱孔蛹m纏的獨(dú)特的性質(zhì)——量子的非局域性，它才能有完全超越經(jīng)典物理的一些功能。其次，它還提供了量子糾纏光源大規(guī)模制備及高亮度量子糾纏光源制備的方式，而且可以證實(shí)量子糾纏光源的有效性。

武愕：以糾纏光子驗(yàn)證貝爾不等式不成立不僅是對(duì)量子力學(xué)基本問題的解答，更重要的是開啟了糾纏態(tài)在量子通信、量子精密測(cè)量中的應(yīng)用。

尹璋琦：量子信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)幾乎都基于量子非局域性或量子糾纏，全量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)跟量子糾纏有深刻的聯(lián)系。這也意味著，他們的工作為基于量子信息的新技術(shù)掃清了障礙，有利于未來全量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

澎湃科技：在光子糾纏實(shí)驗(yàn)研究方面，他們克服了怎樣的難點(diǎn)？

金賢敏：三位科學(xué)家早在2010年“因其在量子物理學(xué)基礎(chǔ)上的基本概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)，特別是一系列日益復(fù)雜的貝爾不等式測(cè)試，而獲得沃爾夫獎(jiǎng)（Wolf Prize）”。今年的諾獎(jiǎng)“以表彰他們對(duì)糾纏光子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，證明了對(duì)貝爾不等式的違反和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)”。具體而言：

Alain Aspect：做博士論文的課題時(shí)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了貝爾定理的正確性，表明愛因斯坦、波多爾斯基和羅森的論文的 “荒謬”，也就是當(dāng)兩個(gè)粒子分開任意大的距離時(shí)，“遠(yuǎn)距離的幽靈作用”，在現(xiàn)實(shí)中似乎已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了：兩個(gè)粒子的波函數(shù)之間的相關(guān)性仍然存在，因?yàn)樗鼈冊(cè)?jīng)是相同波函數(shù)的一部分，而在測(cè)量其中一個(gè)粒子之前是沒有受到干擾的。

John Clauser：他讀到了著名的EPR佯謬的論文以及玻姆（Bohm）關(guān)于“隱藏變量”的論文。1967年，他進(jìn)一步讀到了貝爾的論文。他意識(shí)到，可以用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)貝爾的定理。中間遇到很多困難，但一直在堅(jiān)持這個(gè)方向的研究，最終與在伯克利的Charlie Townes合作進(jìn)行試驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了令愛因斯坦當(dāng)初感到煩惱的鬼魅般的遠(yuǎn)距離作用。

安東·塞林格開展了更多證明貝爾不等式不成立的實(shí)驗(yàn)。他把激光打在特定的晶體上來產(chǎn)生糾纏的光子對(duì)，在測(cè)量中使用隨機(jī)參數(shù)。他的研究小組證明了量子隱形傳態(tài)現(xiàn)象，量子態(tài)可以從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子上。

Anton Zeilinger：他以糾纏方面的實(shí)驗(yàn)和理論工作而聞名，最著名的是多粒子糾纏態(tài)的實(shí)現(xiàn)、量子隱形傳態(tài)、量子通信和密碼學(xué)、光子量子計(jì)算等。1997年，他和同事首次完成了量子隱形傳態(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。

武愕：光子糾纏的實(shí)驗(yàn)發(fā)展受限于很多實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)儀器，在早期的實(shí)驗(yàn)中，由于糾纏光子對(duì)產(chǎn)生效率低，光子探測(cè)效率低，光子探測(cè)噪聲大，很難將有效的光子信息讀取出來，因此光子的量子特性很難呈現(xiàn)在大家面前。這三位科學(xué)家經(jīng)過巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)展了不同的糾纏光子對(duì)產(chǎn)生方法，克服種種不利條件，盡可能不斷貼近理論設(shè)想，在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了貝爾不等式的不成立。

薛鵬：第一是光源上的難點(diǎn)。因?yàn)榧m纏光子對(duì)或糾纏離子對(duì)一定會(huì)違背不等式，如何找到和制備出這樣的粒子，這是有難度的。制備出來以后，如何去堵上實(shí)驗(yàn)漏洞，比如關(guān)聯(lián)的局域性的漏洞，能不能讓它們相隔很遠(yuǎn)，這也是實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。同時(shí)，他們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本身就是具有開創(chuàng)性的。

澎湃科技：具體來說，這三位科學(xué)家有哪些標(biāo)志性的工作成果？

薛鵬：安東·塞林格（Anton Zeilinger）在1997年完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，首次用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)。這篇論文發(fā)表于《自然》，入選了歷史上100篇最有影響力的文章。

約翰·克勞澤（John Clauser）在還是哥倫比亞大學(xué)研究生時(shí)，和Michael Horne、Abner Shimony及Richard Holt一起，通過現(xiàn)在被稱為Clauser - horn - Shimony - Holt (CHSH)不等式，將貝爾1964年的數(shù)學(xué)定理轉(zhuǎn)化為一個(gè)非常具體的實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)。

此后約翰·克勞澤和研究生Stuart Freedman一起，第一次用實(shí)驗(yàn)證明了兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的粒子可以糾纏在一起。John Clauser繼續(xù)進(jìn)行了另外三個(gè)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試量子力學(xué)和糾纏的基礎(chǔ)，每個(gè)新的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)和擴(kuò)展了他的結(jié)果。Freedman–Clauser實(shí)驗(yàn)是對(duì)CHSH不等式的第一個(gè)檢驗(yàn)，它已經(jīng)在世界各地的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了數(shù)百次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以證實(shí)量子糾纏的真實(shí)性。

武愕：第一，阿蘭·阿斯佩第一次在精確的意義上實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了貝爾不等式不成立，證明了量子理論的正確性。第二，阿蘭·阿斯佩第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了單光子的干涉實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證單光子的波粒二象性。第三，阿蘭·阿斯佩第一次在實(shí)驗(yàn)上比較了費(fèi)米子和玻色子的二階關(guān)聯(lián)。

糾纏粒子對(duì)中的一個(gè)粒子的狀態(tài)，決定了另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即使這兩個(gè)粒子相距很遠(yuǎn)。

澎湃科技：在量子信息領(lǐng)域，目前最關(guān)注的核心問題是什么？

金賢敏：量子信息主要包含量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量三個(gè)方向。由量子力學(xué)研究和刻畫微觀粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其相互作用，與信息論共同奠定了信息獲取、處理和傳輸技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，成為連接物質(zhì)、能量和信息等基本要素的橋梁與紐帶。

這三個(gè)方向中量子計(jì)算最有潛力，正在成為新一輪技術(shù)革命的核心科技力量。量子計(jì)算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，可提供指數(shù)級(jí)加速，實(shí)現(xiàn)突破經(jīng)典計(jì)算極限的算力飛躍。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算具有超高算力、并行計(jì)算、可逆計(jì)算等特點(diǎn)。可應(yīng)用在人工智能、電信網(wǎng)絡(luò)、航空航天、金融科技等領(lǐng)域。量子計(jì)算算法和應(yīng)用不斷拓展，有可能率先在量子化學(xué)、組合優(yōu)化、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)排序等方面獲得突破。

薛鵬：肯定是量子計(jì)算，量子計(jì)算是一個(gè)相對(duì)來說比較遙遠(yuǎn)的方向，最難也最有意義。除此之外，像量子保密通信及量子精密測(cè)量等都應(yīng)用到了量子糾纏的特性，量子糾纏也是我們比較關(guān)心的問題，有可能產(chǎn)生一些改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式的應(yīng)用。

武愕：目前量子信息領(lǐng)域中的核心問題有幾個(gè)方面：量子通信，量子模擬，量子傳感，量子計(jì)算。

澎湃科技：您覺得距離實(shí)現(xiàn)真正的量子計(jì)算機(jī)，還有哪些核心科學(xué)問題需要解決？

金賢敏：近年來，量子計(jì)算硬件物理平臺(tái)各類技術(shù)路線的比特?cái)?shù)及量子體積等指標(biāo)頻創(chuàng)新高，但仍處在并行發(fā)展階段，并未出現(xiàn)技術(shù)路線收斂的趨勢(shì)。目前國際公認(rèn)的三大主流方向：超導(dǎo)、離子阱、光量子。其中超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行環(huán)境需要近乎絕對(duì)零度，對(duì)溫度有很高的要求，離子阱量子計(jì)算需要超高真空和一定的低溫環(huán)境。實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)有三個(gè)前提——百萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度。而光量子路徑是唯一能夠滿足這些條件的技術(shù)體系，是通向大規(guī)模通用量子計(jì)算的最可行路徑。

薛鵬：首先是大規(guī)模量子糾纏制備。除此之外，要真正做量子計(jì)算可能需要讓多個(gè)粒子都處在一個(gè)糾纏態(tài)上，即如何制備多粒子糾纏。此外，還要保持它的相干特性，讓它的壽命變得很長。因?yàn)榱孔拥乃刑匦远蓟谒寞B加特性，如果有一個(gè)外界的干擾，或者說噪聲，把它的相干性消除了，那么它就會(huì)失去量子糾纏的特性不能夠應(yīng)用到量子計(jì)算。所以說它非常難得，又非常容易被破壞。

武愕：距離實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)，目前需要解決的核心的科學(xué)問題還是要實(shí)現(xiàn)量子比特的大規(guī)模化制備與操控。