·以糾纏光子驗證貝爾不等式不成立，不僅是對量子力學基本問題的解答，更重要的是開啟了糾纏態在量子通信、量子精密測量中的應用。

北京時間10月4日，2022年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創了量子信息這一學科。

澎湃科技連線多位量子信息領域科學家，解讀三位諾獎獲得者的學術突破性貢獻、研究意義及該領域的目前發展。

2022年諾貝爾物理學獎獲得者：法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser） 和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger） 圖片來源：諾貝爾獎委員會官網

澎湃科技：你在之前準確預測了2022諾貝爾物理學獎三位獲獎人，當時為什么有這樣的預測？

薛鵬（北京計算科學研究中心教授）：這三位科學家在2010年就因為對量子物理學的基礎概念和實驗貢獻獲得沃爾夫獎，像Inside Science于2019年，2020年，2021年連續三年都預測他們有可能獲得諾貝爾物理學獎。我也是認為他們實至名歸，應該獲得這個獎項。

澎湃科技：對于今年諾貝爾物理學獎花落量子信息，物理學界是什么樣的反應，這在預期之中嗎？

金賢敏（上海交通大學物理與天文學院教授）：最近的國際性的科學大事件確實比較集中在量子信息領域，比如：今年上半年舉辦的第28屆索爾維物理學大會的主題就是量子信息（The physics of quantum information）；上個月科學突破獎（Breakthrough Prize）的基礎物理學突破獎頒發給了量子信息領域的Charles Bennett、Gills Brassard、David Deutsch、Peter Shor，表彰他們在量子信息領域的奠基性工作。今年的諾貝爾物理學獎花落量子信息，并不感到意外。

武愕（華東師范大學-阿爾伯塔大學先進科學與技術聯合研究院執行院長）：這是在很多人的預期之中的。最近這些年量子信息技術得到了迅速發展，量子信息技術逐步走向實用化，走向對人類社會有所貢獻，也就是諾貝爾獎設立的初衷，因此大家都預期近幾年量子信息會在諾貝爾物理學獎有所斬獲。

澎湃科技：你怎么評價這三位科學家的突破性貢獻？

薛鵬：總的來說，這三位科學家在實驗上驗證了貝爾不等式的違背，從而證明了量子力學的完備性。

當初愛因斯坦和哥本哈根學派有一個爭議——量子力學是不是完備的，沒有人認為量子力學是錯誤的，但對于其是不是完備，曾經有過很長時間的爭論。愛因斯坦這一方，希望把量子力學中的一些現象跟宏觀世界中的一些現象對比，比如貝爾不等式就涉及到局域的實在性。宏觀世界當中有局域的實在性，比如說宏觀世界中所有的相互作用都跟距離有關系，距離越遠相互作用越弱。而量子力學中沒有局域性，比如量子糾纏就屬于量子非局域。所以，在大家對局域性和非局域性沒有認識很清楚的時候，就會認為量子力學是不完備的，就會有很多爭議。

后來戴維·波姆在1952年通過引入“隱變量”理論做了一個非常好的解釋，在局域實在論的基礎上形成了一個完全決定性的理論——局域隱變量理論。他認為是一種隱變量在操控整個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。而貝爾定理的實驗驗證是一個物理實驗，旨在測試量子力學理論與局域隱變量理論哪個正確。1964年，John Bell定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預言的測量值都不大于2。而用量子力學理論，可以得出大于2的測量值。一旦實驗測量的結果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。

在宏觀的世界中去驗證貝爾不等式，你就永遠會得到貝爾不等式成立。那么，這就意味著量子力學是不完備的。后來，這三位科學家就相繼在實驗上驗證了貝爾不等式在量子力學的框架下會被違背，量子力學是完備的。

武愕：三位科學家在驗證貝爾不等式方面的突破貢獻為量子信息技術大廈的奠定了基石。

阿蘭·阿斯佩在實驗中以新的方式激發原子，能以更高的速率發射出糾纏的電子，同時，他可以切換實驗參數，這樣實驗系統中就不會有預先信息影響實驗結果。

尹璋琦（北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授）：John Clauser、Alan Aspect、Anton Zeilinger三人的研究直擊量子力學最核心的基礎問題，從實驗上驗證貝爾不等式。

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，要么量子力學會導致超光速的作用，與局域性相違背。EPR佯謬并沒有質疑量子力學的正確性，而是質疑量子力學的不完備性。

1964年，英國物理學家約翰·貝爾定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預言的測量值都不大于2，而用量子理論，可以得出其最大值可以到2√2。一旦實驗測量的結果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。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，可后來所有實驗都表明局域隱變量理論預言有誤，而量子理論的預言與實驗一致。貝爾不等式的誕生宣告量子理論的局域性爭議從帶哲學色彩純粹思辨變為實驗可證偽的科學理論。

約翰·克勞澤證明貝爾不等式不成立的實驗：用特殊的光激發鈣原子，發射出兩個糾纏的光子，然后在兩端用濾光片測量其偏振情況。

John Clauser發展了貝爾的想法。1972年，John Clauser等人完成第一次貝爾定理實驗，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，結果不具有說服力。

1982年，Alan Aspect等人改進了Clauser的貝爾定理實驗，實驗結果違反貝爾定理。

1998年，Anton Zeilinger等人在奧地利因斯布魯克大學完成貝爾定理實驗，徹底排除定域性漏洞，實驗結果具有決定性。

2015年，Anton Zeilinger完成了無漏洞的貝爾不等式實驗驗證，同時排出定域性漏洞和測量漏洞。

澎湃科技：諾貝爾物理學委員會主席Anders Irb?ck說“獲獎者對糾纏態的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題”。如何理解這句話？

金賢敏：量子糾纏是一個很神奇的現象，糾纏對中的一個粒子發生的情況決定了另一個粒子會發生什么，即使它們相距很遠。很長一段時間以來，學界的爭論在于相關性是否是因為糾纏對中的粒子包含隱藏的變量，這些指令告訴它們在實驗中應該給出哪個結果。在20世紀60年代，約翰·斯圖爾特·貝爾發展了以他的名字命名的數學不等式。這說明，如果存在隱藏變量，則大量測量結果之間的相關性永遠不會超過某個值。然而，量子力學預測，某種類型的實驗將違反貝爾不等式，從而導致比本來可能更強的相關性。

在糾纏量子態中，即使兩個粒子分離，它們也表現得像一個單獨的單元。2022年物理諾貝爾獎得主們的研究結果為基于量子信息的新技術掃清了道路。

薛鵬：糾纏是量子信息里最重要也最基礎的一個單元，像現在我們所涉及到的量子保密通信，量子通信、量子計算等等，它們的基礎都建在量子糾纏之上。正是因為量子糾纏的獨特的性質——量子的非局域性，它才能有完全超越經典物理的一些功能。其次，它還提供了量子糾纏光源大規模制備及高亮度量子糾纏光源制備的方式，而且可以證實量子糾纏光源的有效性。

武愕：以糾纏光子驗證貝爾不等式不成立不僅是對量子力學基本問題的解答，更重要的是開啟了糾纏態在量子通信、量子精密測量中的應用。

尹璋琦：量子信息技術的理論基礎幾乎都基于量子非局域性或量子糾纏，全量子網絡和量子計算機跟量子糾纏有深刻的聯系。這也意味著，他們的工作為基于量子信息的新技術掃清了障礙，有利于未來全量子網絡和量子計算機的發展。

澎湃科技：在光子糾纏實驗研究方面，他們克服了怎樣的難點？

金賢敏：三位科學家早在2010年“因其在量子物理學基礎上的基本概念和實驗貢獻，特別是一系列日益復雜的貝爾不等式測試，而獲得沃爾夫獎（Wolf Prize）”。今年的諾獎“以表彰他們對糾纏光子進行的實驗，證明了對貝爾不等式的違反和開創性的量子信息科學”。具體而言：

Alain Aspect：做博士論文的課題時，他帶領團隊進行的實驗證實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”，也就是當兩個粒子分開任意大的距離時，“遠距離的幽靈作用”，在現實中似乎已經實現了：兩個粒子的波函數之間的相關性仍然存在，因為它們曾經是相同波函數的一部分，而在測量其中一個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）關于“隱藏變量”的論文。1967年，他進一步讀到了貝爾的論文。他意識到，可以用實驗來檢驗貝爾的定理。中間遇到很多困難，但一直在堅持這個方向的研究，最終與在伯克利的Charlie Townes合作進行試驗，這個實驗實現了令愛因斯坦當初感到煩惱的鬼魅般的遠距離作用。

安東·塞林格開展了更多證明貝爾不等式不成立的實驗。他把激光打在特定的晶體上來產生糾纏的光子對，在測量中使用隨機參數。他的研究小組證明了量子隱形傳態現象，量子態可以從一個粒子轉移到遠處的另一個粒子上。

Anton Zeilinger：他以糾纏方面的實驗和理論工作而聞名，最著名的是多粒子糾纏態的實現、量子隱形傳態、量子通信和密碼學、光子量子計算等。1997年，他和同事首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領域的開山之作。

武愕：光子糾纏的實驗發展受限于很多實驗技術與實驗儀器，在早期的實驗中，由于糾纏光子對產生效率低，光子探測效率低，光子探測噪聲大，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在大家面前。這三位科學家經過巧妙的設計實驗，發展了不同的糾纏光子對產生方法，克服種種不利條件，盡可能不斷貼近理論設想，在實驗上驗證了貝爾不等式的不成立。

薛鵬：第一是光源上的難點。因為糾纏光子對或糾纏離子對一定會違背不等式，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，如何去堵上實驗漏洞，比如關聯的局域性的漏洞，能不能讓它們相隔很遠，這也是實驗的難點。同時，他們的實驗驗證本身就是具有開創性的。

澎湃科技：具體來說，這三位科學家有哪些標志性的工作成果？

薛鵬：安東·塞林格（Anton Zeilinger）在1997年完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證工作，首次用實驗實現了量子隱形傳態。這篇論文發表于《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研究生時，和Michael Horne、Abner Shimony及Richard Holt一起，通過現在被稱為Clauser - horn - Shimony - Holt (CHSH)不等式，將貝爾1964年的數學定理轉化為一個非常具體的實驗預測。

此后約翰·克勞澤和研究生Stuart Freedman一起，第一次用實驗證明了兩個相距很遠的粒子可以糾纏在一起。John Clauser繼續進行了另外三個實驗，以測試量子力學和糾纏的基礎，每個新的實驗都證實和擴展了他的結果。Freedman–Clauser實驗是對CHSH不等式的第一個檢驗，它已經在世界各地的實驗室進行了數百次的實驗測試，以證實量子糾纏的真實性。

武愕：第一，阿蘭·阿斯佩第一次在精確的意義上實驗上驗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·阿斯佩第一次在實驗上實現了單光子的干涉實驗，驗證單光子的波粒二象性。第三，阿蘭·阿斯佩第一次在實驗上比較了費米子和玻色子的二階關聯。

糾纏粒子對中的一個粒子的狀態，決定了另一個粒子的狀態，即使這兩個粒子相距很遠。

澎湃科技：在量子信息領域，目前最關注的核心問題是什么？

金賢敏：量子信息主要包含量子計算、量子通信和量子精密測量三個方向。由量子力學研究和刻畫微觀粒子的結構、性質及其相互作用，與信息論共同奠定了信息獲取、處理和傳輸技術發展和應用的基礎，成為連接物質、能量和信息等基本要素的橋梁與紐帶。

這三個方向中量子計算最有潛力，正在成為新一輪技術革命的核心科技力量。量子計算以量子比特為基本單元，利用量子疊加和干涉等原理實現并行計算，可提供指數級加速，實現突破經典計算極限的算力飛躍。與傳統計算機相比，量子計算具有超高算力、并行計算、可逆計算等特點。可應用在人工智能、電信網絡、航空航天、金融科技等領域。量子計算算法和應用不斷拓展，有可能率先在量子化學、組合優化、復雜網絡排序等方面獲得突破。

薛鵬：肯定是量子計算，量子計算是一個相對來說比較遙遠的方向，最難也最有意義。除此之外，像量子保密通信及量子精密測量等都應用到了量子糾纏的特性，量子糾纏也是我們比較關心的問題，有可能產生一些改變人類生產生活方式的應用。

武愕：目前量子信息領域中的核心問題有幾個方面：量子通信，量子模擬，量子傳感，量子計算。

澎湃科技：您覺得距離實現真正的量子計算機，還有哪些核心科學問題需要解決？

金賢敏：近年來，量子計算硬件物理平臺各類技術路線的比特數及量子體積等指標頻創新高，但仍處在并行發展階段，并未出現技術路線收斂的趨勢。目前國際公認的三大主流方向：超導、離子阱、光量子。其中超導量子計算機的運行環境需要近乎絕對零度，對溫度有很高的要求，離子阱量子計算需要超高真空和一定的低溫環境。實現通用量子計算機有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環境要求、高集成度。而光量子路徑是唯一能夠滿足這些條件的技術體系，是通向大規模通用量子計算的最可行路徑。

薛鵬：首先是大規模量子糾纏制備。除此之外，要真正做量子計算可能需要讓多個粒子都處在一個糾纏態上，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。因為量子的所有特性都基于它的疊加特性，如果有一個外界的干擾，或者說噪聲，把它的相干性消除了，那么它就會失去量子糾纏的特性不能夠應用到量子計算。所以說它非常難得，又非常容易被破壞。

武愕：距離實現通用的量子計算機，目前需要解決的核心的科學問題還是要實現量子比特的大規模化制備與操控。