三位获奖的科学家

10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予阿斯派科特（Alain Aspect）、克劳瑟（John F. Clauser ）和 蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们对于量子光学和原子物理方面的实验研究工作，尤其是在验证贝尔不等式方面先驱性的工作。

三位科学家使用纠缠量子态进行了开创性的实验，在纠缠量子态中，即使两个粒子分离，它们也表现得像一个单独的单元。他们的研究结果为基于量子信息的新技术扫清了道路。“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题，”诺贝尔物理学奖委员会主席安德斯•伊尔贝克说。

这三位科学家的研究价值主要有两方面，一是证明了量子具有纠缠性，也就是证明量子力学是正确的，这也就证明了爱因斯坦的一个错误；二是他们的开创性实验，为今后量子信息技术尤其是量子通信的发展铺平了道路。

获奖者简介

阿斯佩、克劳泽、蔡林格三人获得诺贝尔物理学奖在许多人的意料之内。主要是因为，三人2010年就曾同获沃尔夫物理学奖，表彰他们在量子纠缠领域的成就，为量子通信和量子计算等量子信息技术建立了基础。

12年之后，三位科学家因为其在量子信息科学技术方面的贡献同获诺贝尔物理学奖。

现年75岁的阿兰·阿斯佩是法国物理学家、巴黎萨克莱大学和巴黎综合理工学院教授、法国科学院院士，同时也是香港城市大学香港高等研究院高级研究员。阿斯佩以其揭示量子力学最有趣特性的实验而闻名。1982年，他对纠缠光子的贝尔不等式测试推动解决了爱因斯坦（Albert Einstein）和玻尔（Niels Bohr）之间关于量子力学的争论。

约翰·克劳泽1942年12月出生于美国加利福尼亚州，是美国知名实验物理学家和理论物理学家。克劳泽最出名的是他对量子力学基础的贡献，尤其是他提出的克劳泽-霍恩-西蒙尼-霍尔特不等式（CHSH）、第一个通过实验证明非局部量子纠缠的真实性，以及塑造了局部现实主义理论。

安东·蔡林格现年77岁，是奥地利量子物理学家、维也纳大学物理学教授、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。蔡林格因其对量子物理学基础在概念和实验方面开创性的贡献闻名，尤其是他在量子纠缠领域的实验和理论工作广受认可。

证明爱因斯坦错了？

量子力学作为一个新兴的理论在上个世纪与其他理论之间有着长期的“交锋”，伟大的物理学家爱因斯坦也曾一度质疑这一理论的合理性。

1935年，爱因斯坦、波多斯基和罗森三人提出了一个佯谬，指出要么量子理论是不完备的，要么量子力学会导致超光速的作用，与局域性相违背。这被称作EPR佯谬，因为三人姓名的首字母分别是E、P、R三个字母。

根据量子理论，微观粒子可以处于量子叠加态。比如说电子自旋有向上和向下两种状态，这两种自旋态可以处于任意的叠加态。如果有两个电子，两个电子的自旋态有四种可能：上上、下下、上下和下上。把它们制备到相互纠缠的状态，自旋同时向上和同时向下的叠加态。当测量出一个电子的自旋是向上（向下）的，那么另外一个电子的自旋态就塌缩到向上（向下）的状态，不论电子之间的距离到底有多远。这个塌缩的是瞬时的，传递速度超越了光速。最新的实验表明，这个超距相互作用传递速度至少是光速的一万倍。

 就好比一个电子在地球上，一个在月球上，尽管两者距离非常远，但如果对地球电子的自旋进行测量是向上的，则可以知道月亮上的电子自旋也是朝上的。在爱因斯坦看来，这种超距相互作用是不可思议的。现在看来，纠缠是量子力学体系特有的状态，在经典物理中是没有这种状态的。

作为爱因斯坦思想的继承人，1952年玻姆在标准量子理论中加入了经典的“隐变量”，把它变为了一个完全决定性的理论。

所以，很长一段时间，问题的关键在于搞清楚这种相关性是否是因为纠缠对中的粒子包含隐藏变量，从而“指示”它们在实验中的表现。1960年代，约翰·斯图尔特·贝尔提出了贝尔不等式，指的是如果存在隐藏变量，则大量的测量结果之间的相关性永远不大于2。但量子力学预测某种类型的实验将违反贝尔不等式，最大值可以到2倍的根号2（约等于2.848）。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。贝尔不等式的诞生，宣告了量子理论的局域性争议，从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

此后，本届诺贝尔物理学奖三人分别进行了验证贝尔不等式的实验。

1972年，约翰·弗朗西斯·克劳泽等人完成第一次贝尔定理实验，因存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之间距离太小，不足以说明纠缠的非局域性，结果不具有说服力。1982年，贝尔不等式得到阿兰·阿斯佩等人验证，量子理论胜出。但这些实验中仍然存在漏洞。1998年，安东·蔡林格等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，彻底排除定域性漏洞。但是实验用的单光子探测器效率不够高，无法排除测量带来的漏洞。

科学家一直在为完成无漏洞贝尔不等式违背的实验而努力。

2015年，荷兰代尔夫特大学物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)研究组报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。要避免局域性漏洞，只需把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的两个实验室。利用纠缠光子对和纠缠交换技术，他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠，同时解决了局域性漏洞与测量漏洞。这个实验也宣告了局域隐变量理论的死刑，量子非局域性是真实的。紧接着，美国Sae Woo Nam等人、奥地利的安东·蔡林格研究组也分别完成了无漏洞贝尔不等式违背的实验。

简单来说，今年诺奖三位科学家证明了量子具有纠缠性，某种程度上来说也就是证明了爱因斯坦的一个错误，因为他是反对这一点的。几位科学家上世纪七八十年代就完成了基本的实验，但到今年才基本全部完成验证。

这项研究的价值在哪儿？

无漏洞的贝尔不等式验证实验，为未来量子密钥分发技术提供了技术储备。

诺贝尔奖官网介绍称，当前，量子力学逐渐开始得到应用，关于量子计算机、量子网络、量子加密通信的研究越来越得到重视。

推进量子信息技术发展的一个关键影响因素就是，量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠状态存在——因为纠缠对中一个粒子的状态会决定另一个粒子的状态，即使它们相距非常遥远。

从具体应用来看，这三位科学家通过开创性的实验证明，量子纠缠具有非定域性，也就是说量子纠缠可以在很远的距离进行超光速的传输，利用这一点，人们可以开展量子通信和量子密码的研究。

目前，研究人员正在推动相关技术的研发，以利用单个粒子系统的特殊特性来构建量子计算机、改进测量、建立量子网络并发展安全的量子加密通信。

我国物理学家也有贡献

让人高兴的是，在这些研究工作中，中国科学家也作出了重要贡献。作为安东•蔡林格的学生，颁奖委员会提到的安东•蔡林格的研究工作，潘建伟院士是最主要的参与者之一。“颁奖委员会提到了我导师安东•蔡林格的四篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者，两篇文章的第二作者。”潘建伟说。同时，“颁奖委员会还提了另外三篇文章，而这三篇文章都是中国科学家独立开展的研究工作。所以，从这一点讲，我不仅是加入了蔡林格的研究团队，也参与了开创量子信息物理学这个领域，我感到很幸运。”潘建伟说。

更重要的是，“在把获奖科学家的梦想变成现实的过程中，中国科学家也作出了很大的贡献。”在这方面的成绩让潘建伟感到很骄傲。

近年来，我国也高度重视量子信息科技的发展，在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术，产出了一批具有重要国际影响力的成果。“总体而言，我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位，在量子计算方面与发达国家处于同一水平线，在量子精密测量方面发展迅速。”潘建伟说。

他表示，量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接，是广域量子通信网络的发展路线。