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迟来的荣誉!三位科学家获诺贝尔物理学奖 他们证明爱因斯坦错了

今年诺贝尔物理学奖正式揭晓。瑞典斯德哥尔摩当地时间10月4日中午11时45分(北京时间17时45分),瑞典皇家科学院宣布,2022年诺贝尔物理学奖授予三位量子信息领域的科学家:

2022年诺贝尔物理学奖获得者:法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰克·劳瑟(John F. Clauser) 和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)

法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)教授、美国理论和实验物理学家约翰克·劳瑟(John F. Clauser) 教授、和奥地利物理学家塞林格(Anton Zeilinger)教授,以表彰他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立,并开创了“量子信息科学”这一领域。

“接到这个电话,实际上我非常惊讶,”三位获奖者之一的塞林格教授在新闻发布会上对媒体表示,“这个奖项是对年轻人的鼓励——如果多年来,没有100多名与我一起工作的年轻人,这个奖项是不可能实现的。”

他们三人将共享1000万瑞典克朗(约合人民币642.8万元)奖金。

值得一提的是,塞林格教授还是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士的导师。1996年,潘建伟赴奥地利留学,获维也纳大学博士学位,当时塞林格任维也纳大学物理学教授。2008年全职回国后,基于潘建伟和塞林格教授团队共同推动,最终促成了中科大团队和奥地利科学院基于“墨子号”卫星的洲际量子通信合作研究。

“这是一个迟来的荣誉。”夸密创始人兼CEO张文卓博士对钛媒体App表示,此次诺奖中,阿斯佩教授的实验是上世纪80年代做的,至今已经快40年了,这在历届诺奖里面算是相当长的时间了。他认为,如果未来诺奖将颁发给量子通信(量子密钥分发)创始人之后,会对量子信息的产业应用产生巨大影响。

解读诺奖:量子纠缠到底是什么?

量子信息科学的研究包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

目前,量子信息科学已经从理论层面,如今开始得到应用,例如专注于通过单个粒子系统的特殊属性来建造量子计算机、改进测量方法,以及构建量子网络和安全的量子加密通信等。

而这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的一个粒子的状态,决定了另一个粒子的状态,即使这两个粒子相距很远——这就是“量子纠缠”,或说是“量子叠加态”。

在几十年前,量子力学却曾受到包括物理学泰斗级人物爱因斯坦(Albert Einstein)、薛定谔等多位物理学家的公开质疑,其中就包括了“量子纠缠”。爱因斯坦称,量子纠缠为“幽灵般的超距作用”。他还有一句名言——“上帝不会掷骰子”,也是在否定量子力学中的“测不准原理”,即由于测量的干涉效应,粒子的位置与动量不可同时被测定。

量子纠缠示意图(来源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院)

早在1935年,爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》,后人称之为EPR文章,EPR即是三人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论,爱因斯坦认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

随后,薛定谔也发表了几篇相关论文,定义了“量子纠缠”这一术语。但这种行为被爱因斯坦抨击为违背定域实在论。他表示,量子力学的标准表述不具完备性。

1964年,英国物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)提出了以他名字命名的数学不等式。他提出,如果存在隐藏变量,大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而,量子力学预言,某种类型的实验将违反贝尔不等式,从而导致比其他方式更强的相关性。

获奖者之一的约翰克·劳瑟,发展了约翰·贝尔的想法,并进行了一个实际的量子纠缠实验:劳瑟使用了钙原子,在他用特殊的光照射后,钙原子可以发射纠缠光子。他在两侧设置了一个滤光片来测量光子的偏振。经过一系列测量,他能够证明它们违反了贝尔不等式。这意味着,量子力学不能被一个使用隐藏变量的理论所取代。

用贝尔不等式进行实验

但劳瑟实验仍然存在一些漏洞(loophole)。随后,阿斯佩教授进一步完善了这一实验,他在纠缠粒子离开发射源后,切换了测量设置,因此粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。

通过精密的工具和一系列实验,塞林格教授开始使用纠缠态量子。他的研究团队(潘建伟教授是成员之一)还展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象,这使得量子在一定距离内从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

三位物理学家长期对于量子力学的研究工作,最终证明了薛定谔的说法是对的——同时也证明爱因斯坦错了。

“越来越明显的是,一种新的量子技术正在出现。”诺贝尔物理学委员会主席Anders Irback表示,“我们可以看到,获奖者在纠缠态方面的工作具有重要意义,甚至超越了有关量子力学解释的基本问题。”

张文卓对钛媒体App表示,目前物理学已经是一个成熟的学科,主要包括凝聚态物理,粒子物理,天体物理,原子分子与光物理四种,而这次量子信息属于第四种,但此次属于基础科学领域,距离产业讨论还有一定距离。

“目前真正能应用的之一是量子密钥分发,其他人量子信息方向其实离产业化还比较遥远。比如,量子计算离真正使用还有十万八千里,而现在只是迈出了非常小的几步而已。”张文卓表示。

诺奖三位获奖者中,有一位是潘建伟院士的导师

其实这三位大家,在获得诺贝尔物理学奖之前,就曾于2010年一起获得过沃尔夫物理学奖(Wolf Prize)——被认为是诺贝尔物理学奖之外,物理学界最重要的奖项之一。2019—2021年连续三年,美国物理联合会旗下科普网站Inside Science就曾预测这三位物理学家将获得诺贝尔物理学奖。

因此,三位诺奖得主此番获奖也是众望所归。

其中,阿斯佩教授于1947年出生在法国阿让,1983年获巴黎第十一大学博士学位,目前是巴黎萨克雷大学和巴黎综合理工学院教授。

劳瑟教授,1942年出生于美国加利福尼亚州,1969年获得美国哥伦比亚大学博士学位。1969年至1996年,他主要在劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利福摩尔国家实验室和加州大学伯克利分校工作。

塞林格是奥地利量子论物理学家。1945年出生于奥地利 ,1971年获奥地利维也纳大学博士学位,曾任教于因斯布鲁克大学,目前是奥地利维也纳大学教授。此外,他还是奥地利科学院量子光学与量子信息研究所维也纳分所主席。

值得一提的是,塞林格教授还是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士的博士导师。

1996年,毕业于中国科学技术大学近代物理系的潘建伟,赴奥地利留学,获维也纳大学博士学位,毕业后曾任奥地利维也纳大学实验物理所博士后研究员、高级研究员。2008年,潘建伟全职回国,在他的带领下,中国先后在远距离量子通信技术领域不断创新,被英国《自然》杂志评为2017年度十大科学人物。

当然,有网友还分享了潘建伟和塞林格师生之间的一段小花絮。在1957年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁的斡旋下,促成中科大团队和奥地利科学院基于“墨子号”卫星的洲际量子通信合作研究,成果入选美国物理学会评选的2018年度国际物理学十大进展。

潘建伟在10月4日的一场线上直播中表示,他对于本次诺奖感到非常高兴和开心。三位早在2010年获得沃尔夫物理学奖的时候,这个领域还处于实验室阶段,很难从实验室走出去。如今获得诺奖,一方面很高兴,一方面对他们来说也是一个迟到的荣誉。

“在这个过程中,我们感到非常骄傲。比如今天讲的时候,我导师做的前面的一些奠基性实验,包括量子隐形传态、量子纠缠互化等,我自己也是主要贡献者之一,后面也提到了很多我们中国科学家的工作,推动的整个领域发展,所以我也感觉非常开心,非常自豪。”他表示。

潘建伟接受媒体采访时称,这次主要是肯定我们这个领域的几位前辈在量子力学被定性方面的研究,和他们间接、直接地推动了量子信息科学的发展。

115次、218人的诺贝尔物理学奖

此前,诺贝尔物理学奖已颁发过115次,其中47次为单独获奖,32次为2人共享,36次为3人共享。

但第一次世界大战(1914-1918)和第二次世界大战(1939-1945)期间,在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等六年里,没有颁发诺贝尔物理学奖。

从1901年到2021年,共219人次获奖,实际获奖个人为218人,因为美国物理学家John Bardeen于1956年和1972年两次获奖。

往届诺贝尔物理学奖得主中,有4位女性。分别是1903年的居里夫人(居里夫人另外还获得1911年的化学奖)、1963年的Maria Goeppert-Mayer、2018年的Donna Strickland,以及2020年的Andrea Ghez。

此外,因为“对理论物理的贡献,特别是发现了光电效应的原理”,著名物理学家爱因斯坦荣获1921年度的诺贝尔物理学奖(1922年颁发)。

近五年(2016年-2021年)的诺贝尔物理学奖,大部分与天文物理和激光物理有关。其中在2021年,因对理解复杂物理系统做出了开创性贡献,日裔美籍科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼Klaus Hasselmann),与意大利科学家乔治·帕里西( Giorgio Parisi),三位获得了2021年诺贝尔物理学奖。

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