10.4知識分子The Intellectual
制圖 | 王若男
2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：
阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect ）教授、約翰克勞瑟（John F. Clauser）教授、 塞林格（Anton Zeilinger）教授
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2022年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect ）教授、約翰克勞瑟（John F. Clauser）教授、 塞林格（Anton Zeilinger）教授，以表彰他們對于量子光學(xué)和原子物理方面的實(shí)驗(yàn)研究工作，尤其是在驗(yàn)證貝爾不等式方面先驅(qū)性的工作。
撰文 | 邸利會
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此前，三位教授已經(jīng)在2010年獲得沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們在量子糾纏領(lǐng)域的成就，為量子通信和量子計(jì)算等量子信息技術(shù)建立了基礎(chǔ)。
沃爾夫獎(jiǎng)在介紹中說，“該獎(jiǎng)項(xiàng)認(rèn)可的一系列量子相關(guān)光子實(shí)驗(yàn)是由約翰克勞瑟及其合作者的工作發(fā)起的，他們展示了如何將貝爾不等式應(yīng)用于一種特定的實(shí)驗(yàn)情形。在該實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)糾纏光子生成，它們特性的相關(guān)性在兩個(gè)分離的檢測器中測量到。這個(gè)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)顯示出與量子預(yù)測的一致，并排除了任何局部確定性理論（local deterministic theory）?！?/p>
阿斯佩，1947年6月出生于法國西南部阿基坦地區(qū)的阿根鎮(zhèn)。他畢業(yè)于法國的一所地區(qū)性大學(xué)奧賽大學(xué)（Université d’Orsay）。自1969年開始，作為國家服務(wù)的一部分，他在非洲的喀麥隆教了三年書。1983年，他獲得奧賽大學(xué)博士學(xué)位。
攻讀博士學(xué)位期間，他完成了一項(xiàng)重要工作。
1935年，愛因斯坦（Albert Einstein）、鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）發(fā)表了一篇著名的論文，質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性。題目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ?”（“量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述能被認(rèn)為是完備的嗎？”）。這就是著名的EPR文章。
他們提出，如果有兩個(gè)粒子，它們相互作用后分開，這樣就會出現(xiàn)對其中一個(gè)粒子的測量會影響另一個(gè)粒子的情況。愛因斯坦不喜歡這個(gè)事情，并且將其稱為“幽靈般的超距作用”。人們將他們的論證稱為EPR佯謬，或者愛因斯坦定域?qū)嵲谡摗！岸ㄓ驅(qū)嵲谡摗?認(rèn)為，一個(gè)粒子只在局部擁有其所有特性并決定了任何測量的結(jié)局。
但直到1964年，理論學(xué)家貝爾（John Stewart Bell）發(fā)現(xiàn)了后來以他名字命名的不等式，使得可以從實(shí)驗(yàn)上檢測 “定域?qū)嵲谡摗?的預(yù)測。 貝爾表明，即使允許其他未觀察到的特性（“隱藏變量”），在糾纏量子態(tài)中產(chǎn)生的兩個(gè)物理分離粒子的特性之間的某些統(tǒng)計(jì)相關(guān)性也無法用任何局部確定的的過程來解釋。
此后，科學(xué)家做了很多檢測實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是1972年加州伯克利的研究人員克勞瑟進(jìn)行的，然后哈佛、德州農(nóng)工大學(xué)的科研人員相繼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)都不夠令人滿意，存在一些漏洞。 貝爾認(rèn)為，最基本的漏洞是定域性漏洞（locality loopholes），并設(shè)想了測量的實(shí)驗(yàn)方法解決這個(gè)漏洞。
這就是1982年阿斯佩所作的工作。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?jīng)是相同波函數(shù)的一部分，而在測量其中一個(gè)粒子之前是沒有受到干擾的。
阿斯佩的實(shí)驗(yàn)裝置是雙通道類型，其中光源被分成兩束，然后通過隨機(jī)設(shè)置的偏振器通過。當(dāng)隨后測量兩個(gè)光束的極性時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是相關(guān)的。 不過，由于技術(shù)局限，當(dāng)時(shí)的偏振片的方向選擇并不是隨機(jī)的。
1998年時(shí)，奧地利 Innsbruck 大學(xué)的研究人員使用了真正隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器做了實(shí)驗(yàn)，觀察到幾十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式。此后的2013年，研究人員又相繼排除了另外一個(gè) “測量漏洞”（detection loophole），排除了公平取樣這一假設(shè)的需要。
2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的 Ronald Hanson，奧地利維也納大學(xué)的塞林格教授以及在科羅拉多州的博爾德的 NIST 的 Lynden Shalm 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立地在一次實(shí)驗(yàn)中將兩個(gè)漏洞同時(shí)排除。阿斯佩認(rèn)為這是一個(gè)偉大的成就。
此后，研究者繼續(xù)嘗試關(guān)閉其它的漏洞。由西班牙光子科學(xué)研究所的 Morgan Mitchell 領(lǐng)導(dǎo)的稱之為大貝爾檢驗(yàn)（BIG Bell Test）的國際合作研究表明，人類的自由意志可以用來關(guān)閉 “選擇自由的漏洞”。這是通過從人類而不是隨機(jī)數(shù)生成器收集隨機(jī)決策來實(shí)現(xiàn)的。該實(shí)驗(yàn)招募了大約100,000名參與者，以便使其具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
在檢驗(yàn)貝爾不等式的工作完成后，阿斯佩轉(zhuǎn)向激光冷卻中性原子的研究，許多實(shí)驗(yàn)與玻色～愛因斯坦凝聚體有關(guān)。2015年，他被選為英國皇家學(xué)會外籍會員時(shí)，英國皇家學(xué)會對他的成就有如下介紹：
“（授予這個(gè)會員是因?yàn)椋┧诹孔庸鈱W(xué)和原子物理學(xué)方面的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。阿斯佩第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)演示中排除測量站之間的超光速通信，讓量子力學(xué)使可分離的隱變量理論失效，也第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)上演示了單光子的波粒二象性。他與人共同發(fā)明了速度選擇性相干群體捕獲技術(shù)，是第一個(gè)在相同條件下比較費(fèi)米子和玻色子的 Hanbury Brown-Twiss 相關(guān)性，并且首次證明了在超冷原子系統(tǒng)中的安德森定域化。他的實(shí)驗(yàn)闡明了單光子，光子對和原子的量子力學(xué)行為的基本方面?！?/p>
目前，阿斯佩是巴黎著名的國家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究主任。Aspect 還在 Institut d'Optique 擔(dān)任 Augustin Fresnel 主席，同時(shí)也是巴黎 écolePolytechnique 的教授。他曾獲得了2010年沃爾夫物理獎(jiǎng)、2012年的愛因斯坦獎(jiǎng)?wù)碌葮s譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)。
約翰 · 克勞瑟（Clauser）1942年出生于加利福尼亞州帕薩迪納市。1964年，他他獲得了加州理工學(xué)院物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，兩年后獲得物理學(xué)碩士學(xué)位，并最終在1969 年獲得了哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。
1969年至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)室和加州大學(xué)伯克利分校工作。
1972 年，他與 Stuart Freedman 合作，對 CHSH-Bell 定理預(yù)測進(jìn)行了第一次實(shí)驗(yàn)測試。這是世界上第一次觀察到量子糾纏，也是第一次對違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)觀察。
1974 年，他與邁克爾·霍恩（Michael Horne）合作，首次顯示貝爾定理的推廣為所有局部現(xiàn)實(shí)的自然理論（又名客觀局部理論）提供了嚴(yán)格的約束。這項(xiàng)工作引入了 Clauser-Horne（CH）不等式，作為由局部現(xiàn)實(shí)主義設(shè)定的第一個(gè)完全通用的實(shí)驗(yàn)要求。它還引入了 “CH 無增強(qiáng)假設(shè)”，從而將 CH 不等式簡化為 CHSH 不等式，因此相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試也約束了局部真實(shí)性。
同樣在 1974 年，他首次觀察到光的亞泊松統(tǒng)計(jì)（通過違反經(jīng)典電磁場的柯西-施瓦茨不等式），從而首次證明了光子的明確粒子狀特征。1976 年，他進(jìn)行了世界上第二次對 CHSH-Bell 定理預(yù)測的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
約翰克勞瑟的父親曾任約翰霍普金斯大學(xué)航空系主任，還擔(dān)任過加州大學(xué)圣克魯斯分校的副校長，然后回到加州理工學(xué)院并擔(dān)任工程系主任。
當(dāng)克勞瑟還是個(gè)孩子的時(shí)，就精彩徜徉于父親在約翰霍普金斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，眼看著奇特的實(shí)驗(yàn)裝置，想著哪一天長大了也可以擁有這些“玩具”。他的父親也是一位很好的老師，有任何小克勞瑟不懂的事情，他都能很細(xì)致的講解清楚?？藙谏苄〉臅r(shí)候就喜歡擺弄電子器件，制作電子游戲，還得過一些科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)。
為什么選擇科學(xué)而不是學(xué)工程？克勞瑟覺得，一方面是父親覺得科學(xué)更加 “高大上”，另一方面，一旦掌握了最基本的原則，那以后做什么都是可以的。
對克勞瑟一生影響較大的人有兩位，除了父親，還有論文導(dǎo)師。當(dāng)然，工作中也有很大影響的人，比如前文所述的 John Bell 以及Charlie Townes。
從加州理工到哥倫比亞大學(xué)，克勞瑟感到文化上的沖擊。哥倫比亞大學(xué)更大，也有和加州理工如費(fèi)曼這樣的大師，如李政道。哥倫比亞大學(xué)在實(shí)驗(yàn)物理方面也更好。他的博士學(xué)位是對宇宙微波背景輻射的第三次測量。
有趣的事情是，在這期間，他的量子力學(xué)課得了兩次C，而哥倫比亞大學(xué)規(guī)定必須得了B或者B以上才可以?？藙谏X得自己是一個(gè)實(shí)在的人，如果有模型或者能視覺化某個(gè)東西的話，就可以很好的掌握，而對于抽象的純數(shù)學(xué)不是很擅長。
在哥倫比亞大學(xué)研究生期間，克勞瑟讀到了著名的EPR佯謬的論文以及博姆（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。他意識到，可以用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)貝爾的定理。但當(dāng)他把這一想法告訴導(dǎo)師時(shí)，收到的反饋確是不要浪費(fèi)時(shí)間在這種哲學(xué)問題上。
在親自開始實(shí)驗(yàn)之前，克勞瑟寫信給貝爾和博姆，確認(rèn)他沒有忽略任何先前關(guān)于貝爾定理和量子非局域性的實(shí)驗(yàn)。兩位受訪者立即回信，很高興有實(shí)驗(yàn)者對這個(gè)話題抱有興趣。貝爾后來回憶說，克勞瑟1969年2月的來信是貝爾收到的關(guān)于貝爾定理的第一個(gè)直接回應(yīng)。在貝爾的文章發(fā)表四年多之后，才等到學(xué)界的注意。貝爾鼓勵(lì)克勞瑟，如果他碰巧能夠測量出與量子理論預(yù)測的偏差，那將 “震動(dòng)世界！”
當(dāng)然，從貝爾的理想化的論文到實(shí)際的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，還要克服很多的困難。此后他和位于波士頓的 Abner Shimony 組合作，發(fā)展了一種新的貝爾定理的表法方式，更容易和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的比較。
即使他的研究做得不錯(cuò)，克勞瑟的就業(yè)前景卻不怎樣。他畢業(yè)時(shí)，美國的物理學(xué)家供求失衡，他做的貝爾定理，進(jìn)一步導(dǎo)致他難以找到工作?？藙谏髞碚f，在那些年里，對量子力學(xué)基礎(chǔ)表現(xiàn)出興趣的物理學(xué)家都背負(fù)著“恥辱”，這種感覺就像身處于宗教戰(zhàn)爭或麥卡錫式的政治清洗當(dāng)中。
最終，在伯克利的Charlie Townes在勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室給他找了份博士后的工作，做天體物理。在到伯克利的行程中，他和Abner Shimony的合作依然在進(jìn)行中，在1969年8月上旬到達(dá)伯克利時(shí)，他們已經(jīng)準(zhǔn)備好把論文提交給期刊。在經(jīng)費(fèi)縮減的情況下，克勞瑟說服Townes，讓他覺得貝爾定理值得檢驗(yàn)。Townes允許克勞瑟花一半的時(shí)間來進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
克勞瑟也曾說，如果沒有Charlie Townes，他恐怕都做不成1972年的突破性的實(shí)驗(yàn)。（此前，Gene Commins和Carl Kocher已經(jīng)做過的實(shí)驗(yàn)，也是針對Einstein-Podolsky-Rosen佯謬。Townes認(rèn)為克勞瑟設(shè)想的實(shí)驗(yàn)非常有意思，這個(gè)態(tài)度讓Commins也不好反駁。不過，克勞瑟認(rèn)為，Commins他們并不懂貝爾定理，也不懂得這個(gè)定理在當(dāng)時(shí)的重要性。）他們的這個(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。
不過，即使做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，沒幾個(gè)物理學(xué)家關(guān)心這事。在《物理評論快報(bào)》上發(fā)文章一年過后，貝爾定理的全球引用反而掉了一半。在職業(yè)上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對克勞瑟的幫助也不大。他申請工作的某物理系系主任很懷疑，克勞瑟的這個(gè)檢驗(yàn)貝爾定理的工作算不算真正的物理。
塞林格（Anton Zeilinger）是維也納大學(xué)物理學(xué)名譽(yù)教授，奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所高級科學(xué)家。他也曾任奧地利物理學(xué)會主席，現(xiàn)任奧地利科學(xué)院院長。
塞林格1945年出生于奧地利，1971年在維也納大學(xué)獲得博士學(xué)位。他曾在維也納技術(shù)大學(xué)和因斯布魯克大學(xué)任教，1999年加入維也納大學(xué)并擔(dān)任物理系 “椅子” 教授。
他是一位量子物理學(xué)家，正如英國的物理研究所首屆艾薩克·牛頓獎(jiǎng)?wù)滤?，塞林?“對量子物理學(xué)基礎(chǔ)概念和實(shí)驗(yàn)方面做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，這些業(yè)已成為快速發(fā)展的量子信息領(lǐng)域的基石”。
建立量子信息理論的基礎(chǔ)原理是量子疊加。量子疊加讓一個(gè)量子比特不僅能夠表現(xiàn)出0或1的傳統(tǒng)比特狀態(tài)，也能夠呈現(xiàn)出其他任意中間狀態(tài)。量子不可克隆定理表明，一個(gè)未知的量子態(tài)不能夠被精確地復(fù)制。當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)量子比特組成時(shí)，量子疊加就成為了量子糾纏，這使得態(tài)空間呈指數(shù)增加。不確定原理和不可克隆原理是量子通信、量子計(jì)算和量子互聯(lián)網(wǎng)的基石。
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)算以及從中子到富勒烯的物質(zhì)波干涉測量，后者研究退相干和量子－經(jīng)典轉(zhuǎn)變的細(xì)節(jié)。
塞林格曾說，大約從20世紀(jì)70年代開始，人們開始在實(shí)驗(yàn)上深入探索量子世界，思考這個(gè)世界是否真的如此奇妙。
“當(dāng)時(shí)并不是為了應(yīng)用而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，新生的嬰兒又能做什么呢？所以，我們之中的一些人在20世紀(jì)70年代和80年代早期所做的工作并沒有什么實(shí)際用處，而后來我們卻收獲了驚喜。這是我生命中最大的驚喜之一，我確信這樣的事情還會再發(fā)生。” 他說。
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。量子隱形傳態(tài)是從一個(gè)粒子向另一個(gè)粒子遠(yuǎn)距離傳遞未知量子態(tài)的方式，這一過程不需要傳遞粒子本身。潘建偉教授也是這一個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要參與者之一。
量子隱形傳態(tài)妙就妙在：你并不測量要傳輸?shù)某鯌B(tài)，你僅僅只是利用了糾纏。借助量子糾纏，我們可以將未知的量子態(tài)傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)的地點(diǎn)。
在最初的實(shí)驗(yàn)中，塞林格組所實(shí)現(xiàn)的傳輸距離很短。后來，他們又完成了跨越多瑙河的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，以及非洲加那利群島之間的遠(yuǎn)距離糾纏和隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。島嶼之間的距離是百公里左右，在很長時(shí)間內(nèi)這都是糾纏分發(fā)的最長紀(jì)錄?，F(xiàn)在，這個(gè)距離被我們熟知的 “墨子號” 量子衛(wèi)星超過了。
塞林格的主要研究興趣是量子力學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是量子糾纏、量子干涉測量和量子信息。他特別關(guān)注的是新的糾纏態(tài)及其在量子通信和量子計(jì)算中的應(yīng)用。 塞林格目前的興趣還包括很高維度和復(fù)雜性的糾纏軌道角動(dòng)量態(tài)，實(shí)現(xiàn)愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出的動(dòng)量和位置糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于不可區(qū)分性和遠(yuǎn)距離量子通信的新型量子成像的想法。
和團(tuán)隊(duì)成員一起，塞林格開發(fā)了糾纏光子的源，觀察了三光子和四光子糾纏以及高維量子態(tài)的糾纏。這些方法曾經(jīng)并且正在被應(yīng)用于量子通信任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，例如超密集編碼、基于糾纏的量子密碼學(xué)、量子隱形傳態(tài)和糾纏交換、糾纏態(tài)的隱形傳態(tài)。
此類實(shí)驗(yàn)還包括線性光學(xué)單向量子計(jì)算、各種光子量子門的實(shí)現(xiàn)和量子克隆。塞林格組進(jìn)行的基本實(shí)驗(yàn)包括無相互作用測量、非局域量子擦除器、快速量子數(shù)發(fā)生器以及通過輻射壓力對微鏡進(jìn)行自冷卻。
塞林格介紹說，與此同時(shí)，他正在從事量子力學(xué)的測試，例如關(guān)閉各種漏洞的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)、Legett 不等式和 GHZ 矛盾的測試以及具有三維狀態(tài)的 Kochen-Specker 范式的實(shí)現(xiàn)。
塞林格曾多次受邀到麻省理工學(xué)院、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、柏林洪堡大學(xué)、牛津大學(xué)等地訪問。
參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)可瀏覽）
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Hensen et al., “Loophole-free BellInequality Violation Using Electron Spins Separated by 1.3 Kilometres,” Nature526, 682 (2015).M. Giustina et al., “Significant-Loophole-FreeTest of Bell's Theorem with Entangled Photons,” Phys. Rev. Lett. 115, 250401(2015).
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