2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)為什么頒給了這三位？
“今年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給這三個(gè)人，確實(shí)毫不意外。”10月4日上午，中科院化學(xué)所原研究員、北京匯聚態(tài)數(shù)學(xué)國(guó)家研究中心原首席科學(xué)家、上海交通學(xué)院李政道研究所講席院長(zhǎng)丁洪在接受新京報(bào)記者專訪時(shí)表示，這三位科學(xué)家得獎(jiǎng)也屬于眾望所歸。
上海時(shí)間10月4日上午，法國(guó)皇家科大學(xué)宣布，將2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給美國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤（JohnF.）和德國(guó)科學(xué)家安東·蔡林格（Anton），以嘉獎(jiǎng)她們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違背貝爾不方程和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻(xiàn)。她們將平均分享1000萬(wàn)澳大利亞盧布（約合人民幣647億元）的獎(jiǎng)金。
丁洪表示，這三位科學(xué)家的研究?jī)r(jià)值主要有兩方面，一是證明了量子具有糾纏性，也就是證明量子熱學(xué)是正確的，這也就證明了愛(ài)因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤；二是她們的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，為今后量子信息技術(shù)尤其是量子通訊的發(fā)展鋪平了公路。
得獎(jiǎng)?wù)呤钦l(shuí)？
阿斯佩、克勞澤、蔡林格兩人獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)在許多人的預(yù)料之內(nèi)。主要是由于，兩人2010年就曾同獲沃爾夫數(shù)學(xué)學(xué)獎(jiǎng)，嘉獎(jiǎng)她們?cè)诹孔蛹m纏領(lǐng)域的成就，為量子通訊和量子估算等量子信息技術(shù)構(gòu)建了基礎(chǔ)。
12年以后，三位科學(xué)家由于其在量子信息科學(xué)技術(shù)方面的貢獻(xiàn)同獲諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)在10月4日的申明中表示，阿斯佩、克勞澤和蔡林格使用糾纏量子態(tài)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，否認(rèn)了研究和控制處于糾纏狀態(tài)的粒子的潛力。這一試驗(yàn)結(jié)果為量子信息相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展掃清了障礙。
現(xiàn)年75歲的阿蘭·阿斯佩是波蘭化學(xué)學(xué)家、巴黎薩克萊學(xué)院和倫敦綜合理工大學(xué)院士、法國(guó)科大學(xué)教授，同時(shí)也是臺(tái)灣城市學(xué)院臺(tái)灣高等研究院中級(jí)研究員。
據(jù)臺(tái)灣城市學(xué)院官網(wǎng)介紹諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)都是理論物理，阿斯佩以其闡明量子熱學(xué)最有趣特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)而享譽(yù)。1982年，他對(duì)糾纏光子的貝爾不方程測(cè)試推進(jìn)解決了愛(ài)因斯坦（）和玻爾（NielsBohr）之間關(guān)于量子熱學(xué)的爭(zhēng)辯。
約翰·克勞澤1942年12月出生于法國(guó)加利福尼亞州，是馬來(lái)西亞著名實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)家和理論化學(xué)學(xué)家。
據(jù)他的官網(wǎng)介紹，克勞澤最出名的是他對(duì)量子熱學(xué)基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)，尤其是他提出的克勞澤-霍恩-西蒙尼-霍爾特不方程（CHSH）、第一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明非局部量子糾纏的真實(shí)性，以及打造了局部現(xiàn)實(shí)主義理論。
安東·蔡林格現(xiàn)年77歲，是德國(guó)量子化學(xué)學(xué)家、維也納學(xué)院化學(xué)學(xué)院士、奧地利科大學(xué)量子光學(xué)與量子信息研究所中級(jí)科學(xué)家。
據(jù)俄羅斯科大學(xué)官網(wǎng)介紹諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)都是理論物理，蔡林格因其對(duì)量子化學(xué)學(xué)基礎(chǔ)在概念和實(shí)驗(yàn)方面開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)著稱，尤其是他在量子糾纏領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和理論工作廣受認(rèn)可。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年10月4日，美國(guó)斯德哥爾摩，丹麥皇家科大學(xué)公布諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)得主。圖/ICphoto
證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了？
量子熱學(xué)作為一個(gè)新興的理論在上個(gè)世紀(jì)與其他理論之間有著常年的“交鋒”，偉大的化學(xué)學(xué)家愛(ài)因斯坦也曾一度指責(zé)這一理論的合理智。
據(jù)成都理工學(xué)院化學(xué)大學(xué)量子技術(shù)研究中心院長(zhǎng)尹璋琦介紹，1935年，愛(ài)因斯坦、波多斯基和羅森兩人提出了一個(gè)佯謬，強(qiáng)調(diào)要么量子理論是不完備的，要么量子力學(xué)會(huì)引起超光速的作用，與局域性相違逆。這被叫做EPR佯謬，由于兩人姓名的首字母分別是E、P、R三個(gè)字母。
依照量子理論，微觀粒子可以處于量子疊加態(tài)。例如說(shuō)電子載流子有向下和向上兩種狀態(tài)，這兩種載流子態(tài)可以處于任意的疊加態(tài)。假如有兩個(gè)電子，兩個(gè)電子的載流子態(tài)有四種可能：上上、下下、上下和下上。把它們制備到互相糾纏的狀態(tài)，載流子同時(shí)向下和同時(shí)向上的疊加態(tài)。當(dāng)檢測(cè)出一個(gè)電子的載流子是向下（向上）的，這么另外一個(gè)電子的載流子態(tài)就塌縮到向下（向上）的狀態(tài)，不論電子之間的距離究竟有多遠(yuǎn)。這個(gè)塌縮的是瞬時(shí)的，傳遞速率趕超了光速。最新的實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)超距互相作用傳遞速率起碼是光速的一萬(wàn)倍。
“就好比一個(gè)電子在月球上，一個(gè)在地球上，雖然二者距離十分遠(yuǎn)，但假如對(duì)月球電子的載流子進(jìn)行檢測(cè)是向下的，則可以曉得月亮上的電子載流子也是朝上的。”清華學(xué)院化學(xué)系院長(zhǎng)、北京量子信息科學(xué)研究院副教授龍桂魯告訴新京報(bào)記者，在愛(ài)因斯坦看來(lái)，這些超距互相作用是不可思議的。“現(xiàn)在看來(lái)，糾纏是量子熱學(xué)體系特有的狀態(tài)，在精典化學(xué)中是沒(méi)有這些狀態(tài)的。”
據(jù)尹璋琦介紹，作為愛(ài)因斯坦思想的承繼人，1952年玻姆在標(biāo)準(zhǔn)量子理論中加入了精典的“隱變量”，把它變?yōu)榱艘粋€(gè)完全決定性的理論。
所以，很長(zhǎng)一段時(shí)間，問(wèn)題的關(guān)鍵在于認(rèn)清楚這些相關(guān)性是否是由于糾纏對(duì)中的粒子包含隱藏變量，因而“指示”它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)。1960年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了貝爾不方程，指的是假如存在隱藏變量，則大量的檢測(cè)結(jié)果之間的相關(guān)性永遠(yuǎn)不小于2。但量子熱學(xué)預(yù)測(cè)某種類型的實(shí)驗(yàn)將違背貝爾不方程，最大值可以到2倍的根號(hào)2（約等于2.848）。一旦實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的結(jié)果小于2，就意味著局域隱變量理論是錯(cuò)誤的。貝爾不方程的誕生，宣告了量子理論的局域性爭(zhēng)議，從帶哲學(xué)色調(diào)純粹思辨變?yōu)閷?shí)驗(yàn)可證偽的科學(xué)理論。
隨后，本屆諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)二人分別進(jìn)行了驗(yàn)證貝爾不方程的實(shí)驗(yàn)。
1972年，約翰·弗朗西斯·克勞澤等人完成第一次貝爾定律實(shí)驗(yàn)，因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之寬度離太小，不足以說(shuō)明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有勸說(shuō)力。1982年，貝爾不方程得到阿蘭·阿斯佩等人驗(yàn)證，量子理論勝出。但這種實(shí)驗(yàn)中一直存在漏洞。1998年，安東·蔡林格等人在英國(guó)因斯布魯克學(xué)院完成貝爾定律實(shí)驗(yàn)，徹底排除定域性漏洞。并且實(shí)驗(yàn)用的單光子偵測(cè)器效率不夠高，難以排除檢測(cè)帶來(lái)的漏洞。
科學(xué)家仍然在為完成無(wú)漏洞貝爾不方程遵守的實(shí)驗(yàn)而努力。
2015年，西班牙代爾夫特學(xué)院化學(xué)學(xué)家羅納德·漢森()研究組報(bào)導(dǎo)了她們?cè)诮痄撌南到y(tǒng)中完成的驗(yàn)證貝爾不方程的實(shí)驗(yàn)。要防止局域性漏洞，只需把兩個(gè)金鋼石色心放置在相距1.3公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室。借助糾纏光子對(duì)和糾纏交換技術(shù)，她們實(shí)現(xiàn)了金鋼石色心電子之間的糾纏，同時(shí)解決了局域性漏洞與檢測(cè)漏洞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也宣告了局域隱變量理論的死緩，量子非局域性是真實(shí)的。緊接著，德國(guó)SaeWooNam等人、奧地利的安東·蔡林格研究組也分別完成了無(wú)漏洞貝爾不方程遵守的實(shí)驗(yàn)。
“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，去年諾獎(jiǎng)三位科學(xué)家證明了量子具有糾纏性，某種程度上來(lái)說(shuō)也就是證明了愛(ài)因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤，由于他是反對(duì)這一點(diǎn)的。”丁洪表示，“幾位科學(xué)家上世紀(jì)七八十年代就完成了基本的實(shí)驗(yàn)，但到明年才基本全部完成驗(yàn)證。”
這項(xiàng)研究的價(jià)值在哪里？
尹璋琦稱，無(wú)漏洞的貝爾不方程驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為未來(lái)量子秘鑰分發(fā)技術(shù)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。復(fù)旦學(xué)院化學(xué)系院長(zhǎng)、北京量子信息科學(xué)研究院副教授龍桂魯稱，這次獲得諾獎(jiǎng)的兩人于2010年獲得沃爾夫獎(jiǎng)，此前也是諾獎(jiǎng)的熱門人選。
“這三位科學(xué)家對(duì)量子糾纏的研究，最大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值就在于加快現(xiàn)代量子信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是量子通訊和量子估算。”丁洪對(duì)新京報(bào)記者解釋道。
諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹稱，當(dāng)前，量子熱學(xué)漸漸開(kāi)始得到應(yīng)用，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)路、量子加密通訊的研究越來(lái)越得到注重。
推動(dòng)量子信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵影響誘因就是，量子熱學(xué)怎么容許兩個(gè)或多個(gè)粒子以糾纏狀態(tài)存在——因?yàn)榧m纏對(duì)中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)決定另一個(gè)粒子的狀態(tài)，雖然它們相距十分遙遠(yuǎn)。
他進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，從具體應(yīng)用來(lái)看，這三位科學(xué)家通過(guò)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)證明，量子糾纏具有非定域性，也就是說(shuō)量子糾纏可以在很遠(yuǎn)的距離進(jìn)行超光速的傳輸，借助這一點(diǎn)，人們可以舉辦量子通訊和量子密碼的研究。
諾貝爾化學(xué)學(xué)委員會(huì)主席安德斯·伊爾貝克表示，“越來(lái)越清楚的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看見(jiàn)，得獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)方面的研究十分重要，甚至超出了關(guān)于量子熱學(xué)解釋的基本問(wèn)題。”
目前，研究人員正在推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研制，以借助單個(gè)粒子系統(tǒng)的特殊特點(diǎn)來(lái)建立量子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)檢測(cè)、建立量子網(wǎng)路并發(fā)展安全的量子加密通訊。
圖片來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)。
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諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)小知識(shí)
諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)是阿爾弗雷德·諾貝爾在其遺贈(zèng)中提及的第一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。從1901年至2021年，諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)已頒授過(guò)115次，其中47次授予單一得獎(jiǎng)?wù)撸?2次由兩位得獎(jiǎng)?wù)叻窒恚?6次由三位得獎(jiǎng)?wù)叻窒怼?span style="display:none">1Tr物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
截止2021年，共有219位諾貝爾獎(jiǎng)數(shù)學(xué)學(xué)獎(jiǎng)獲得者。其中，法國(guó)科學(xué)家約翰·巴丁是惟一曾在1956年和1972年兩次獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的得獎(jiǎng)?wù)撸@意味著共有218人曾獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
最年青的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)得主是勞倫斯·布拉格，他1915年和丈夫亨利·布拉格共同得獎(jiǎng)時(shí)年僅25歲。最年長(zhǎng)的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)得主是亞瑟·阿斯金，他2018年得獎(jiǎng)時(shí)已96歲。
在諾貝爾六大獎(jiǎng)項(xiàng)中，數(shù)學(xué)學(xué)獎(jiǎng)是女人得獎(jiǎng)人次第二少的獎(jiǎng)項(xiàng)，只少于僅有2名男性得獎(jiǎng)的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)。截止2021年，共有4名男性曾獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)，分別是瑪麗·居里（1903年得獎(jiǎng)，1911年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)）、瑪麗亞·梅耶（1963年得獎(jiǎng)）、唐娜·斯特里克蘭（2018年得獎(jiǎng)）、安德烈婭·蓋茲（2020年得獎(jiǎng)）。
據(jù)人民網(wǎng)報(bào)導(dǎo)，諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)主要集中四個(gè)領(lǐng)域：粒子化學(xué)、天體化學(xué)、凝聚態(tài)化學(xué)、原子分子及光化學(xué)。但2021年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)首次頒給了氣候?qū)W家真鍋淑郎（）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus），以嘉獎(jiǎng)其在“地球氣候建模、量化氣候變化以及對(duì)全球變暖的可靠預(yù)測(cè)”方面的貢獻(xiàn)；喬治·帕里西（）因“在從原子到行星尺度的數(shù)學(xué)系統(tǒng)中發(fā)覺(jué)了無(wú)序和漲落的互相作用”同獲當(dāng)初獎(jiǎng)項(xiàng)。
新京報(bào)記者謝蓮張璐
編輯張樹(shù)婧校對(duì)柳寶慶付春愔