2022年諾貝爾化學學獎授予阿蘭·阿斯佩（Alain）、約翰·克勞澤（JohnF.）和安東·塞林格（Anton?），嘉獎她們“用糾纏光子進行實驗，確立了貝爾不方程的遵守，開創(chuàng)了量子信息科學”。
其中，安東·塞林格是中國農(nóng)大“愛因斯坦講席院士”，他也是中國量子信息領(lǐng)軍人物潘建偉在英國留學時的博士生導(dǎo)師。塞林格常年關(guān)愛中國農(nóng)大國際合作和人才培養(yǎng)工作，積極推進中奧學術(shù)交流。他曾多次作客中國農(nóng)大“大師峰會”以及“墨子沙龍”活動，鼓勵和推動青年學子涉足量子科技事業(yè)。2020年，安東·塞林格被授予“中國政府友誼獎”。
塞林格作客“墨子沙龍”，給青年學子述說量子科學與技術(shù)（拍攝于2019年）
值得一提的是，諾貝爾獎授予量子信息科學，中國科學家也作出了重要貢獻。早在上世紀90年代，潘建偉就和導(dǎo)師塞林格一起舉辦量子信息實驗研究。諾貝爾獎新聞發(fā)布會和得獎工作的官方介紹文件中，都大量引用了潘建偉及其團隊的成果與貢獻。諸如，諾獎官方介紹中注重指出了量子隱形傳態(tài)、糾纏交換的首次實現(xiàn)等工作，而在這一系列工作中，潘建偉都起到了核心作用；諾獎新聞發(fā)布會上還重點展示了“墨子號”的工作，正是這種后續(xù)優(yōu)秀工作的推進，量子信息從初期的夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，量子信息先驅(qū)入選諾獎更眾望所歸。
量子信息科學是正在快速發(fā)展的新興學科。對于一個初生的兒子，他的力量，就是生長的力量。我們有理由期盼，量子信息科學將給人們帶來更多驚喜，而中國科學家也將作出更重要的貢獻。
以下文章翻譯自諾貝爾獎委員會對得獎工作的官方介紹文件。
量子熱學的基礎(chǔ)不僅僅是一個理論或哲學問題。借助單粒子系統(tǒng)的特殊性質(zhì)來建立量子計算機、改進檢測、建造量子網(wǎng)路和安全的量子保密通訊，這種研究和進展正在蓬勃發(fā)展之中。
量子糾纏
許多應(yīng)用依賴于量子熱學的一個奇特性質(zhì)：容許兩個或更多粒子存在于一個共享的狀態(tài)，無論它們相距多遠。這就是所謂的“糾纏”。自從量子熱學構(gòu)建以來，它仍然是爭辯最多的主題之一，阿爾伯特·愛因斯坦稱其為“幽靈般的超距作用”，埃爾溫·薛定諤覺得這是量子熱學最重要的特征。
去年的得獎?wù)邔m纏的量子態(tài)進行了探求，她們的實驗為目前正在進行的量子技術(shù)革命奠定了基礎(chǔ)。
遠離日常經(jīng)驗
當兩個粒子處于量子糾纏態(tài)時，對其中一個粒子的性質(zhì)進行檢測，無需檢查就可以立刻曉得假如對另一個粒子進行同等檢測將會得到哪些結(jié)果。
初看上去，這似乎并無奇怪之處。將粒子看作小球，我們想像這樣一個實驗：其中的紅球朝一個方向行進，而白球朝相反方向行進。假如觀察者接住了一個球、看到它是灰色的，這么可以立刻獲知：向另一個方向行進的球是藍色的。
而量子熱學的獨特之處在于，在被檢測之前，量子版本的“小球”沒有確定的狀態(tài)。這就好象兩個球都是黑色的，直至有人看了其中一個球。這時，這個球都會隨機地或則獲得兩個球的所有紅色元素或則顯示為紅色，而另一個球同時弄成相反的顏色。
然而，如何可能曉得這種球一開始就沒有一個被設(shè)定好了的顏色呢？雖然它們看上去是黑色的，其實在它們內(nèi)部有一個“隱藏的標簽”，規(guī)定好了當有人看它們時，它們應(yīng)當弄成哪種顏色。
無人觀看之時，顏色是否存在？
量子熱學中的糾纏對可以稱作一臺把相反顏色球向相反方向拋擲的機器。當鮑勃抓到一個球、看到它是白色的，他立刻就可以曉得愛麗絲抓到的是紅色的球。有一種理論，它引入了隱藏變量，也就是說，這種球仍然包含著關(guān)于顯示哪些顏色的隱藏信息。但是量子熱學卻說，這種球是白色的，直至有人看它們——這時，隨機地，其中一個弄成紅色，另一個弄成藍色。
貝爾不方程表明，有一些實驗可以分辨這種情況。這種實驗最終證明了量子物理專業(yè)介紹，量子熱學的描述是正確的。
去年諾貝爾化學學獎所獎勵的研究中，一個重要部份是稱作“貝爾不方程”的理論看法。是量子熱學的不確定性，還是具有某種秘密指令（或說隱變量）的另一種理論？貝爾不方程能讓我們對其進行分辨。實驗早已表明，大自然正如量子熱學所預(yù)測的那樣運行。球是白色的，沒有秘密信息，機率決定了在實驗中什么球弄成黃色、哪些弄成藍色。
量子熱學的最重要資源
糾纏的量子態(tài)給怎么儲存、傳輸和處理信息帶來了新的可能。
假如糾纏對中的粒子朝相反的方向行進，其中一個粒子以某種形式與第三個粒子相遇而致使它們形成了糾纏，這時有趣的事情發(fā)生了。它們會步入一種新的共享狀態(tài)。第三個粒子喪失了其特點，但它原先的性質(zhì)如今早已轉(zhuǎn)移到了原先糾纏對中如今“落單”的那種粒子上。將未知量子態(tài)從一個粒子轉(zhuǎn)移到另一粒子的這些方法被叫做“量子隱型傳態(tài)”。這類實驗由安東·塞林格及其朋友在1997年首次完成。
值得注意的是，量子隱型傳態(tài)是將量子信息從一個系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一系統(tǒng)而沒有任何損失的惟一方式。想要檢測出一個量子系統(tǒng)的所有性質(zhì)，之后將其傳輸給接收者來重建整個系統(tǒng)，這是絕對不可能的。這是由于一個量子系統(tǒng)可以同時包含每個性質(zhì)的多個“版本”，每位版本在檢測中都有一定的出現(xiàn)機率。而一旦執(zhí)行了檢測，就只剩下一個版本，即被檢測儀器讀取的那種。其他的早已消失，不再可能曉得它們的任何事情。但是，完全未知的量子性質(zhì)可以通過量子隱型傳態(tài)來傳輸，它將完好無損地出現(xiàn)在另一個粒子上，其代價是在原粒子中消失殆盡。
一旦這在實驗中被否認，下一步就是使用兩個糾纏粒子對。假如每位粒子對中的一個粒子以一種特殊的形式被集聚到一起，這么每位粒子對中未受擾動的那種粒子都會糾纏在一起，即便它們未曾互相接觸過。這些糾纏交換在1998年由安東·塞林格的研究小組首次否認。
未曾相遇的糾纏粒子
兩對糾纏粒子從不同的源發(fā)射下來。每對粒子中的一個粒子（圖中的2和3）以一種特殊的形式被集聚到一起、發(fā)生糾纏。這么，另外兩個粒子（圖中的1和4）也被糾纏上去。通過這些方法，兩個未曾接觸過的粒子可以糾纏在一起。
光子（即光的粒子）的糾纏對，可以通過光纖往相反的方向發(fā)送，并在量子網(wǎng)路中起到訊號作用。兩對光子對之間的糾纏促使擴充網(wǎng)路節(jié)點之間的距離成為可能。光子通過光纖發(fā)送的距離是有限制的，由于光子會被吸收或喪失其性質(zhì)。普通的光訊號可以沿途被放大，但這些方式不適用于糾纏對——放大器必須捕獲并檢測光，這將破壞糾纏。但是，糾纏交換意味著可以將原始狀態(tài)發(fā)送得更遠，進而實現(xiàn)比其他方法更長的傳輸距離。
從佯謬到不方程
這一進展基于多年的發(fā)展。它源于令人驚訝的洞察力——量子熱學容許一個單一量子系統(tǒng)被分割成彼此分離的各部份，但它們一直作為一個整體來行動。
這違反了關(guān)于因果和現(xiàn)實本質(zhì)的所有一般看法。一個風波如何可能被發(fā)生在另一地方的風波影響呢——如果沒有接受到來自哪里的某種方式的訊號？訊號的傳播速率不可能超過光速——但在量子熱學中，一個擴充系統(tǒng)的不同部份雖然完全沒有必要通過訊號來聯(lián)接。
愛因斯坦（）覺得這是不可行的，并與同學波多爾斯基（Boris）、羅森（Rosen）一起研究了這一現(xiàn)象。她們在1935年提出了她們的推論：量子熱學雖然沒有提供對現(xiàn)實的完整描述。這被稱為EPR佯謬，以研究人員姓名的首字母命名。
問題是，是否有一種對世界更完整的描述，而量子熱學只是其中的一部份。諸如，事情可以是這樣：粒子總是攜帶關(guān)于它們被檢測后將顯示哪些結(jié)果的隱藏信息。這么，所有的檢測都顯示了就在執(zhí)行檢測的位置所具有的性質(zhì)。這類信息一般被叫做“局域隱變量”。
當時在CERN工作的北愛爾蘭化學學家約翰·貝爾（JohnBell）對這一問題進行了仔細研究。他發(fā)覺有一類實驗，可以測量世界是否純粹是量子熱學的，或則是否可能存在帶有隱變量的另一種描述。重復(fù)多次他的實驗，所有隱變量方式的理論所顯示出的結(jié)果之間的相關(guān)性，都必須高于或最多等于某一特定值。這就是所謂的“貝爾不方程”。
但是，量子熱學可以違背這一不方程。它所預(yù)測的結(jié)果之間的相關(guān)性比任何局域隱變量理論的預(yù)測都要高。
1960年代，約翰·克勞澤還是一名中學生時，就對量子熱學的基礎(chǔ)原理形成了興趣。當讀到約翰·貝爾的看法后，這一看法就回蕩在他腦海之中、揮之不去。最終，他和其他三名研究人員提出了一個可以在現(xiàn)實實驗中執(zhí)行的合同，來測試貝爾不方程。
實驗涉及往相反方向發(fā)送一對糾纏的粒子（見右圖）。實際中，使用的是具有偏振光性質(zhì)的光子。當粒子被發(fā)射時，偏振光方向是不確定的，惟一可以確定的是粒子具有平行的偏振光。可以用濾光片來舉辦研究，此濾光片準許特定方向的偏振通過。這就是許多太陽鏡所借助的效應(yīng)，它可以抵擋在某一平面上偏振光的光線，比如被海面反射的光。
約翰·克勞澤使用的是鈣原子，被一種特殊的光照射后，它可以發(fā)出糾纏光子。他在兩側(cè)各設(shè)置了一個濾光片，拿來檢測光子偏振光。經(jīng)過一系列檢測，他發(fā)覺它們違背了貝爾不方程。
實驗中，當兩個粒子被發(fā)送到朝向平行放置的濾光片（例如都垂直放置）時，假若一個粒子才能通過，這么另一個也會通過。而當兩個濾光片彼此成直角放置，這么一個粒子會被抵擋，而另一個將通過。巧妙之處在于，針對有一定傾斜角、不同方向放置濾光片的情況進行檢測，結(jié)果會有變化：有時兩個粒子都通過，有時只有一個通過，有時都不通過。兩個粒子同時通過濾光片的機率取決于濾光片之間的角度。
量子熱學造成了檢測之間的相關(guān)性。一個粒子通過的可能性取決于在實驗裝置另左側(cè)測試其“伙伴”偏振的濾光片的角度。這意味著，在個別角度上，兩個檢測的結(jié)果違背了貝爾不方程，與由隱變量支配、預(yù)先早已確定了的結(jié)果相比，具有更強的相關(guān)性。
被違背的不方程
約翰·克勞澤立刻開始施行這一實驗。他建造了一臺一次發(fā)射兩個糾纏光子的儀器，每位光子都射向一個測量其偏振光的濾光片。1972年，與博士生斯圖爾特·弗里德曼（，1944—2012）一起，她們展示了顯著違背貝爾不方程的實驗結(jié)果，與量子熱學的預(yù)測一致。
在此后的幾年，約翰·克勞澤和其他化學學家繼續(xù)討論這一實驗以及實驗的不足。其中之一是，在粒子的制備和捕獲上，實驗總是效率很低。檢測也是預(yù)先設(shè)定好的，濾光片處在固定的角度。因而存在漏洞，觀察者可以對結(jié)果提出指責：會不會是因為實驗裝置以某種形式選擇了剛好具有強相關(guān)性的粒子量子物理專業(yè)介紹，而沒有檢查到其他粒子？假如是這樣的話，粒子仍可能攜帶有隱藏信息。
去除這一漏洞是困難的，由于糾纏的量子態(tài)非常脆弱、難以操控；處理單個光子是必要的。當時的德國博士生阿蘭·阿斯佩沒有被困住，經(jīng)過多次迭代改進，他建立了一個新版本的設(shè)置。在他的實驗中，可以記錄通過濾光片的光子和沒有通過的光子。這意味著可以測量到更多的光子，檢測更好了。
在實驗的最后一個改進版本中，他還能否將光子導(dǎo)向以不同角度放置的兩個不同濾光片。巧妙之處在于，糾纏光子從源中生成、發(fā)射出以后，還有一種機制，就能改變它們的方向。濾光片只在6米之外，所以方向切換須要在十億分之1秒量級之內(nèi)完成。假如光子即將抵達那個濾光片的信息影響了它從源發(fā)射的方法，它就不會抵達哪個過濾器。實驗兩側(cè)的濾光片信息也不會傳到實驗的另左側(cè)，因而影響哪里的檢測結(jié)果。這樣，阿蘭·阿斯佩擋住了一個重要的實驗漏洞，給出了一個清晰明晰的結(jié)果：量子熱學是正確的，沒有隱變量。
阿蘭·阿斯佩改進了實驗，他使用了一種新方法來迸發(fā)原子，就能以更高的速度發(fā)射糾纏光子。他還可以實現(xiàn)不同設(shè)置之間的切換，使系統(tǒng)不包含任何可能影響結(jié)果的預(yù)置信息。
安東·塞林格后來對貝爾不方程進行了更多測試。他通過激光照射特殊晶體來制備糾纏光子對，并使用隨機數(shù)來控制檢測設(shè)置之間的轉(zhuǎn)換。有一個實驗，是使用來自遙遠星體的訊號來控制濾光片，確保訊號不互相影響。
量子信息的時代
這種以及類似的實驗為現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的量子信息科學研究奠定了基礎(chǔ)。
操縱和管理量子態(tài)的能力，能給我們帶來新工具，其潛力出乎我們的想像。這是量子估算、量子信息的傳輸和儲存以及量子加密算法的基礎(chǔ)。如今，具有兩個以上粒子的系統(tǒng)（所有粒子都糾纏在一起）正在步入實際應(yīng)用，安東·蔡林格和他的朋友們是第一個探求的。兩個以上粒子的系統(tǒng)——所有粒子都是糾纏在一起的，如今正在使用中，而安東·蔡林格及其朋友是最早探求這些系統(tǒng)的人。
這種日漸建立的工具使現(xiàn)實應(yīng)用越來越近。如今早已證明了，穿越數(shù)十公里光纖的光子之間，以及衛(wèi)星和地面接收站之間存在糾纏量子態(tài)。在很短的時間內(nèi)，世界各地的研究人員發(fā)覺了借助量子力學最強悍特點的好多新技巧。
第一次量子革命給與了我們晶體管和激光。得益于操縱糾纏粒子系統(tǒng)的現(xiàn)代工具，我們?nèi)缃裾诓饺胍粋€新時代。
（翻譯：王佳）