2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)今天揭曉，授予法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞瑟（John F. Clauser）和奧地利科學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?yōu)榱孔蛹m纏實(shí)驗(yàn)、證明違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)性的量子信息科學(xué)所作出的貢獻(xiàn)。
值得一提的是，塞林格是中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉的導(dǎo)師。潘建偉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)所做的一系列工作，發(fā)展了塞林格開(kāi)創(chuàng)的多體量子糾纏研究方向。潘建偉的學(xué)生、上海交通大學(xué)教授金賢敏表示，三位諾獎(jiǎng)得主開(kāi)啟了第二次量子科技革命，這一革命已接近產(chǎn)業(yè)化階段，將與人工智能等新一代信息技術(shù)交織在一起，形成顛覆性創(chuàng)新成果。
EPR實(shí)驗(yàn)駁倒愛(ài)因斯坦
今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)“花落”量子科技?！斑@個(gè)科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)是量子力學(xué)，它是一種有助于我們理解世間萬(wàn)物的理論?！苯鹳t敏說(shuō)。所謂量子，是一個(gè)物理量不可分割的最小單位。某個(gè)物理量如果不能連續(xù)變化，只能取一些分立的值，它就是量子化的。好比走樓梯，我們只能登上一個(gè)臺(tái)階，而不能登上半個(gè)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宏觀世界里的物理量似乎都能連續(xù)變化，但在微觀世界，許多物理量是量子化的。
左起：阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞瑟、安東·塞林格
量子力學(xué)誕生后，愛(ài)因斯坦等物理學(xué)家提出了質(zhì)疑。1935年，愛(ài)因斯坦、波多爾斯基和羅森提出一個(gè)名為“EPR”（三人姓名的首字母）的思想實(shí)驗(yàn)：制備A、B兩個(gè)粒子的“圓”態(tài)，使它們?cè)谶@一狀態(tài)中的某個(gè)性質(zhì)（如電子的自旋角動(dòng)量、光子的偏振）相加等于零，而單個(gè)粒子的這個(gè)性質(zhì)不確定；再將它們?cè)诳臻g上分開(kāi)得很遠(yuǎn)（比如幾光年）；隨后測(cè)量粒子A的這個(gè)性質(zhì)。當(dāng)測(cè)得A是“上”，那么測(cè)量者立刻就知道B的性質(zhì)是“下”。
在愛(ài)因斯坦看來(lái)，EPR思想實(shí)驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)粒子的性質(zhì)發(fā)生變化，另一個(gè)與它處于糾纏態(tài)的粒子怎么可能瞬間“感應(yīng)”到它的狀態(tài)，從而發(fā)生變化？他把量子糾纏態(tài)稱(chēng)為“幽靈般的超距作用”。為了破解這個(gè)物理學(xué)界的“公案”，英國(guó)物理學(xué)家貝爾提出了貝爾不等式和貝爾定理，使EPR佯謬成為一個(gè)可以用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的問(wèn)題。
上世紀(jì)80年代，阿斯佩利用已成熟的技術(shù)條件做了EPR實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：處于量子糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子居然真的具有超時(shí)空關(guān)聯(lián)！它們無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的量子態(tài)確定時(shí)，另一個(gè)粒子的量子態(tài)也瞬間確定。阿斯佩的這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作，不僅駁倒了愛(ài)因斯坦，也啟動(dòng)了第二次量子科技革命。
科學(xué)家能操縱單量子態(tài)
20世紀(jì)40年代，第一次量子科技革命爆發(fā)，催生了原子彈、半導(dǎo)體晶體管、激光器等重要成果。上世紀(jì)末以來(lái)，第二次量子科技革命在信息技術(shù)領(lǐng)域興起，催生了量子通信、量子測(cè)量、量子計(jì)算等創(chuàng)新成果。特別是量子計(jì)算，有望顛覆人類(lèi)目前使用的電子計(jì)算機(jī)，在運(yùn)算效率上將經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)甩在身后。
“第一次量子科技革命，實(shí)現(xiàn)了在系綜級(jí)別操縱量子。而第二次革命，讓人類(lèi)高精度、大規(guī)模、遠(yuǎn)距離操縱單量子態(tài)成為可能?！苯鹳t敏告訴記者，在這一科技突破過(guò)程中，他的師公塞林格作出了重要的理論和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)——將阿斯佩實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)粒子糾纏，提升為3個(gè)及以上粒子的多體糾纏。
另一位獲獎(jiǎng)?wù)呖藙谏矊?duì)量子糾纏做出了重要貢獻(xiàn)。半個(gè)世紀(jì)之前，克勞瑟就與合作者在世界上第一次觀察到量子糾纏，這也是第一次對(duì)違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)觀察，確定貝爾不等式在量子世界中并不成立。此后，他又進(jìn)行了世界上第二次對(duì)貝爾定理預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
“所謂量子糾纏現(xiàn)象，就是兩個(gè)共同來(lái)源的微觀粒子，無(wú)論它們分開(kāi)多遠(yuǎn)，一旦其中一個(gè)粒子發(fā)生變化，會(huì)立即影響到另一個(gè)粒子。好像一對(duì)孿生兒，彼此存在'心靈感應(yīng)’。”李政道研究所量子基礎(chǔ)科學(xué)研究部的李政道學(xué)者鐘瑞丹認(rèn)為，這種糾纏現(xiàn)象，別說(shuō)對(duì)于老百姓，對(duì)于科研工作者也是很神奇的。
她給學(xué)生打了一個(gè)比方：地球上有一對(duì)夫妻，丈夫去太空參加星球大戰(zhàn)，不幸戰(zhàn)死。那么在地球上，他的妻子在丈夫戰(zhàn)死的一瞬間就成為一個(gè)寡婦，也就是說(shuō)兩人的狀態(tài)同時(shí)發(fā)生了變化。鐘瑞丹說(shuō)：“我們只需要有辦法探測(cè)地球上妻子的狀態(tài)，到底是在婚還是守寡，就能判斷遙遠(yuǎn)的星球上發(fā)生了怎樣的戰(zhàn)事。妻子與丈夫之間某種糾纏關(guān)系就類(lèi)似于量子糾纏?！?/p>
潘建偉院士（右）和學(xué)生陸朝陽(yáng)在實(shí)驗(yàn)室。
量子科學(xué)應(yīng)用價(jià)值巨大
在三位諾獎(jiǎng)得主理論和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)的支撐下，量子信息科學(xué)的應(yīng)用價(jià)值日益顯現(xiàn)。
利用量子疊加態(tài)等科學(xué)原理，人們可以進(jìn)行量子保密通信。潘建偉院士解釋?zhuān)?jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽(tīng)時(shí)，這兩種信號(hào)都不會(huì)被擾動(dòng)。量子通信與之不同，不但有信號(hào)0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態(tài)。根據(jù)量子力學(xué)的不確定性和不可克隆原理，量子信號(hào)一旦被竊聽(tīng)，量子疊加態(tài)就會(huì)受到擾動(dòng)，有可能“塌縮”成另一種量子態(tài)。這樣一來(lái)，通信雙方就能立即察覺(jué)。
2016年8月，我國(guó)首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”發(fā)射成功，實(shí)現(xiàn)了星地之間1000公里級(jí)量子糾纏、密鑰分發(fā)及隱形傳態(tài)?！澳犹?hào)”還實(shí)現(xiàn)了中國(guó)和奧地利之間長(zhǎng)達(dá)7600公里的洲際量子密鑰分發(fā)，并利用共享密鑰完成了加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通信。這項(xiàng)成果為未來(lái)構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
與量子通信相比，量子計(jì)算是一個(gè)更熱門(mén)的前沿科技領(lǐng)域。根據(jù)量子疊加態(tài)原理，一個(gè)粒子可以既處于“0”又處于“1”的狀態(tài)，兩個(gè)處于疊加態(tài)的粒子發(fā)生量子糾纏后，就會(huì)有4種狀態(tài)（2的2次方）。如果100個(gè)粒子發(fā)生量子糾纏，則會(huì)出現(xiàn)2的100次方種狀態(tài)。如此海量的狀態(tài)，可以讓量子計(jì)算機(jī)擁有超強(qiáng)的并行計(jì)算能力。
《量子信息和量子技術(shù)白皮書(shū)（合肥宣言）》預(yù)測(cè)，量子計(jì)算研發(fā)分為3個(gè)階段：第一階段是實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，即針對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)；第二階段是實(shí)現(xiàn)具有應(yīng)用價(jià)值的專(zhuān)用量子模擬系統(tǒng)；第三階段是實(shí)現(xiàn)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)，這需要全球科技界的長(zhǎng)期努力。
預(yù)計(jì)未來(lái)10—20年內(nèi)，一批專(zhuān)用量子模擬系統(tǒng)將研發(fā)成功，用于催化化學(xué)反應(yīng)模擬、高溫超導(dǎo)材料制備等科研工作。它們的運(yùn)算效率有望比經(jīng)典計(jì)算機(jī)高得多，從而大幅提升這些領(lǐng)域的科研效率。
欄目主編：黃海華
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