·以糾纏光子驗證貝爾不方程不創(chuàng)立，除了是對量子熱學(xué)基本問題的解答，更重要的是開啟了糾纏態(tài)在量子通訊、量子精密檢測中的應(yīng)用。
上海時間10月4日，2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎授予美國化學(xué)學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國理論和實驗化學(xué)學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF.）和德國化學(xué)學(xué)家安東·塞林格（Anton），以嘉獎她們在量子信息科學(xué)研究方面做出的貢獻。她們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不方程在量子世界中不創(chuàng)立，并開創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。
澎湃科技連線多位量子信息領(lǐng)域科學(xué)家，剖析三位諾獎獲得者的學(xué)術(shù)突破性貢獻、研究意義及該領(lǐng)域的目前發(fā)展。
2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎獲得者：美國化學(xué)學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國理論和實驗化學(xué)學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF.）和德國化學(xué)學(xué)家安東·塞林格（Anton）圖片來源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)
澎湃科技：你在之前確切預(yù)測了2022諾貝爾化學(xué)學(xué)獎三位得獎人，當(dāng)時為何有這樣的預(yù)測？
薛鵬（上海估算科學(xué)研究中心院長）：這三位科學(xué)家在2010年就由于對量子化學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)概念和實驗貢獻獲得沃爾夫獎，像于2019年，2020年，2021年連續(xù)兩年都預(yù)測她們有可能獲得諾貝爾化學(xué)學(xué)獎。我也是覺得她們實至名歸，應(yīng)當(dāng)獲得這個獎項。
澎湃科技：對于去年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎花落量子信息，數(shù)學(xué)學(xué)界是哪些樣的反應(yīng)，這在預(yù)期之中嗎？
金賢敏（重慶交通學(xué)院數(shù)學(xué)與天文大學(xué)院士）：近來的國際性的科學(xué)大風(fēng)波確實比較集中在量子信息領(lǐng)域，例如：明年上半年舉行的第28屆索爾維數(shù)學(xué)學(xué)會議的主題就是量子信息（Theof）；上個月科學(xué)突破獎（Prize）的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)突破獎頒授給了量子信息領(lǐng)域的、Gills、David、PeterShor，嘉獎她們在量子信息領(lǐng)域的奠基性工作。去年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎花落量子信息，并不倍感意外。
武愕（華南師范學(xué)院-阿爾伯塔學(xué)院先進科學(xué)與技術(shù)聯(lián)合研究院執(zhí)行主任）：這是在好多人的預(yù)期之中的。近來那些年量子信息技術(shù)得到了迅速發(fā)展，量子信息技術(shù)逐漸邁向?qū)嵱没~向?qū)θ祟惿鐣兴暙I，也就是諾貝爾獎籌建的本意，因而你們都預(yù)期近幾年量子信息會在諾貝爾化學(xué)學(xué)獎有所奪得。
澎湃科技：你怎樣評價這三位科學(xué)家的突破性貢獻？
薛鵬：總的來說，這三位科學(xué)家在實驗上驗證了貝爾不方程的遵守，因而證明了量子熱學(xué)的完備性。
當(dāng)年愛因斯坦和阿姆斯特丹學(xué)派有一個爭議——量子熱學(xué)是不是完備的，沒有人覺得量子熱學(xué)是錯誤的，但對于其是不是完備，以前有過很長時間的爭辯。愛因斯坦這一方，希望把量子熱學(xué)中的一些現(xiàn)象跟宏觀世界中的一些現(xiàn)象對比，例如貝爾不方程就涉及到局域的實在性。宏觀世界當(dāng)中有局域的實在性，例如說宏觀世界中所有的互相作用都跟距離有關(guān)系，距離越遠互相作用越弱。而量子熱學(xué)中沒有局域性，例如量子糾纏就屬于量子非局域。所以，在你們對局域性和非局域性沒有認識很清楚的時侯，都會覺得量子熱學(xué)是不完備的，都會有好多爭議。
后來戴維·波姆在1952年通過引入“隱變量”理論做了一個特別好的解釋，在局域?qū)嵲谡摰幕A(chǔ)上產(chǎn)生了一個完全決定性的理論——局域隱變量理論。他覺得是一種隱變量在操控整個量子世界中這些看上去不可思議的事情，并且具體是哪些樣的變量他也不曉得。而貝爾定律的實驗驗證是一個化學(xué)實驗，借以測試量子熱學(xué)理論與局域隱變量理論那個正確。1964年，JohnBell定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的檢測值都不小于2。而藥量子力學(xué)理論，可以得出小于2的檢測值。一旦實驗檢測的結(jié)果小于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。
在宏觀的世界中去驗證貝爾不方程，你就永遠會得到貝爾不方程創(chuàng)立。這么，這就意味著量子熱學(xué)是不完備的。后來，這三位科學(xué)家就陸續(xù)在實驗上驗證了貝爾不方程在量子熱學(xué)的框架下會被遵守，量子熱學(xué)是完備的。
武愕：三位科學(xué)家在驗證貝爾不方程方面的突破貢獻為量子信息技術(shù)大樓的奠定了基石。
阿蘭·阿斯佩在實驗中以新的方法迸發(fā)原子，能以更高的速度發(fā)射出糾纏的電子，同時，他可以切換實驗參數(shù)，這樣實驗系統(tǒng)中就不會有預(yù)先信息影響實驗結(jié)果。
尹璋琦（天津理工學(xué)院化學(xué)大學(xué)量子技術(shù)研究中心院長）：John、Alan、Anton兩人的研究直擊量子熱學(xué)最核心的基礎(chǔ)問題，從實驗上驗證貝爾不方程。
貝爾不方程的癥結(jié)來自于1935年愛因斯坦、波多斯基和羅森五人提出的一個佯謬，也就是EPR（--Rosen）佯謬：要么量子理論是不完備的，要么量子力學(xué)會引起超光速的作用，與局域性相違逆。EPR佯謬并沒有指責(zé)量子熱學(xué)的正確性，而是指責(zé)量子熱學(xué)的不完備性。
1964年，美國化學(xué)學(xué)家約翰·貝爾定義了一個可觀測量，并基于局域隱變量理論預(yù)言的檢測值都不小于2，而用量子理論，可以得出其最大值可以到2√2。一旦實驗檢測的結(jié)果小于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。此前貝爾始終站在愛因斯坦一方，貝爾研究隱變量理論的本意是要證明量子理論非局域性有誤，可后來所有實驗都表明局域隱變量理論預(yù)言有誤，而量子理論的預(yù)言與實驗一致。貝爾不方程的誕生宣告量子理論的局域性爭議從帶哲學(xué)色調(diào)純粹思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學(xué)理論。
約翰·克勞澤證明貝爾不方程不創(chuàng)立的實驗：用特殊的光迸發(fā)鈣原子，發(fā)射出兩個糾纏的光子，之后在兩端用濾光片檢測其偏振光情況。
John發(fā)展了貝爾的看法。1972年，John等人完成第一次貝爾定律實驗，因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之寬度離太小，不足以說明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有勸說力。
1982年，Alan等人改進了的貝爾定律實驗，實驗結(jié)果違背貝爾定律。
1998年，Anton等人在英國因斯布魯克學(xué)院完成貝爾定律實驗，徹底排除定域性漏洞，實驗結(jié)果具有決定性。
2015年，Anton完成了無漏洞的貝爾不方程實驗驗證量子物理學(xué)大學(xué)排名，同時排出定域性漏洞和檢測漏洞。
澎湃科技：諾貝爾化學(xué)學(xué)委員會主席Irb?ck說“獲獎?wù)邔m纏態(tài)的研究十分重要，甚至趕超了解釋量子熱學(xué)的基本問題”。怎樣理解這句話？
金賢敏：量子糾纏是一個很神奇的現(xiàn)象，糾纏對中的一個粒子發(fā)生的情況決定了另一個粒子會發(fā)生哪些，雖然它們相距很遠。很長一段時間以來，學(xué)界的爭辯在于相關(guān)性是否是由于糾纏對中的粒子包含隱藏的變量，這種指令告訴它們在實驗中應(yīng)當(dāng)給出那個結(jié)果。在20世紀60年代，約翰·斯圖爾特·貝爾發(fā)展了以他的名子命名的物理不方程。這說明，假若存在隱藏變量，則大量檢測結(jié)果之間的相關(guān)性永遠不會超過某個值。但是，量子熱學(xué)預(yù)測，某種類型的實驗將違背貝爾不方程，進而造成比原本可能更強的相關(guān)性。
在糾纏量子態(tài)中，雖然兩個粒子分離，它們也表現(xiàn)得像一個單獨的單元。2022年化學(xué)諾貝爾獎得主們的研究結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了公路。
薛鵬：糾纏是量子信息里最重要也最基礎(chǔ)的一個單元，像現(xiàn)今我們所涉及到的量子保密通訊，量子通訊、量子估算等等，它們的基礎(chǔ)都建在量子糾纏之上。正是由于量子糾纏的奇特的性質(zhì)——量子的非局域性，它能夠有完全趕超精典化學(xué)的一些功能。其次，它還提供了量子糾纏光源大規(guī)模制備及高色溫量子糾纏光源制備的方法，并且可以否認量子糾纏光源的有效性。
武愕：以糾纏光子驗證貝爾不方程不創(chuàng)立除了是對量子熱學(xué)基本問題的解答，更重要的是開啟了糾纏態(tài)在量子通訊、量子精密檢測中的應(yīng)用。
尹璋琦：量子信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)幾乎都基于量子非局域性或量子糾纏，全量子網(wǎng)路和量子計算機跟量子糾纏有深刻的聯(lián)系。這也意味著，她們的工作為基于量子信息的新技術(shù)掃清了障礙，有利于未來全量子網(wǎng)路和量子計算機的發(fā)展。
澎湃科技：在光子糾纏實驗研究方面，她們克服了如何的難點？
金賢敏：三位科學(xué)家早在2010年“因其在量子化學(xué)學(xué)基礎(chǔ)上的基本概念和實驗貢獻，非常是一系列愈加復(fù)雜的貝爾不方程測試，而獲得沃爾夫獎（WolfPrize）”。去年的諾獎“以嘉獎她們對糾纏光子進行的實驗，證明了對貝爾不方程的違背和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)”。具體而言：
Alain：做博士論文的課題時，他率領(lǐng)團隊進行的實驗否認了貝爾定律的正確性，表明愛因斯坦、波多爾斯基和羅森的論文的“荒謬”，也就是當(dāng)兩個粒子分開任意大的距離時，“遠距離的幽靈作用”，在現(xiàn)實中雖然早已實現(xiàn)了：兩個粒子的波函數(shù)之間的相關(guān)性依然存在，由于它們以前是相同波函數(shù)的一部份，而在檢測其中一個粒子之前是沒有遭到干擾的。
John：他讀到了知名的EPR佯謬的論文以及玻姆（Bohm）關(guān)于“隱藏變量”的論文。1967年，他進一步讀到了貝爾的論文。他意識到，可以用實驗來檢驗貝爾的定律。中間遇見好多困難，但仍然在堅持這個方向的研究，最終與在伯克利的合作進行試驗，這個實驗實現(xiàn)了令愛因斯坦曾經(jīng)倍感苦惱的鬼魅般的遠距離作用。
安東·塞林格舉辦了更多證明貝爾不方程不創(chuàng)立的實驗。他把激光打在特定的晶體上來形成糾纏的光子對，在檢測中使用隨機參數(shù)。他的研究小組證明了量子隱型傳態(tài)現(xiàn)象，量子態(tài)可以從一個粒子轉(zhuǎn)移到遠處的另一個粒子上。
Anton：他以糾纏方面的實驗和理論工作而蜚聲，最知名的是多粒子糾纏態(tài)的實現(xiàn)、量子隱型傳態(tài)、量子通訊和密碼學(xué)、光子量子估算等。1997年，他和朋友首次完成了量子隱型傳態(tài)的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領(lǐng)域的開山之作。
武愕：光子糾纏的實驗發(fā)展受限于好多實驗技術(shù)與實驗儀器，在初期的實驗中，因為糾纏光子對形成效率低，光子偵測效率低，光子偵測噪音大，很難將有效的光子信息讀取下來，因而光子的量子特點很難呈現(xiàn)在你們面前。這三位科學(xué)家經(jīng)過巧妙的設(shè)計實驗，發(fā)展了不同的糾纏光子對形成方式，克服種種不利條件，盡可能不斷緊貼理論構(gòu)想，在實驗上驗證了貝爾不方程的不創(chuàng)立。
薛鵬：第一是光源上的難點。由于糾纏光子對或糾纏離子對一定會遵守不方程，怎樣找到和制備出這樣的粒子，這是有難度的。制備下來之后，怎樣去堵上實驗漏洞，例如關(guān)聯(lián)的局域性的漏洞，能不能讓它們相隔很遠，這也是實驗的難點。同時，她們的實驗驗證本身就是具有開創(chuàng)性的。
澎湃科技：具體來說，這三位科學(xué)家有什么標志性的工作成果？
薛鵬：安東·塞林格（Anton）在1997年完成了量子隱型傳態(tài)的原理性實驗驗證工作，首次用實驗實現(xiàn)了量子隱型傳態(tài)。這篇論文發(fā)表于《自然》，榮獲了歷史上100篇最有影響力的文章。
約翰·克勞澤（John）在還是波蘭學(xué)院研究生時，和Horne、Abner及Holt一起，通過如今被稱為-horn--Holt(CHSH)不方程，將貝爾1964年的物理定律轉(zhuǎn)化為一個極其具體的實驗預(yù)測。
隨后約翰·克勞澤和研究生一起，第一次用實驗證明了兩個相距很遠的粒子可以糾纏在一起。John繼續(xù)進行了另外三個實驗，以測試量子熱學(xué)和糾纏的基礎(chǔ)，每位新的實驗都否認和擴充了他的結(jié)果。–實驗是對CHSH不方程的第一個檢驗，它早已在世界各地的實驗室進行了數(shù)百次的實驗測試，以否認量子糾纏的真實性。
武愕：第一，阿蘭·阿斯佩第一次在精確的意義上實驗上驗證了貝爾不方程不創(chuàng)立，證明了量子理論的正確性。第二，阿蘭·阿斯佩第一次在實驗上實現(xiàn)了單光子的干涉實驗，驗證單光子的波粒二象性。第三，阿蘭·阿斯佩第一次在實驗上比較了費米子和玻骰子的二階關(guān)聯(lián)。
糾纏粒子對中的一個粒子的狀態(tài)，決定了另一個粒子的狀態(tài)，雖然這兩個粒子相距很遠。
澎湃科技：在量子信息領(lǐng)域，目前最關(guān)注的核心問題是哪些？
金賢敏：量子信息主要包含量子估算、量子通訊和量子精密檢測三個方向。由量子熱學(xué)研究和描畫微觀粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其互相作用，與信息論共同奠定了信息獲取、處理和傳輸技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，成為聯(lián)接物質(zhì)、能量和信息等基本要素的橋梁與紐帶。
這三個方向中量子估算最有潛力，正在成為新一輪技術(shù)革命的核心科技力量。量子估算以量子比特為基本單元，借助量子疊加和干涉等原理實現(xiàn)并行估算，可提供指數(shù)級加速量子物理學(xué)大學(xué)排名，實現(xiàn)突破精典估算極限的算力飛越。與傳統(tǒng)計算機相比，量子估算具有超高算力、并行估算、可逆估算等特性。可應(yīng)用在人工智能、電信網(wǎng)路、航空航天、金融科技等領(lǐng)域。量子估算算法和應(yīng)用不斷拓展，有可能率先在量子物理、組合優(yōu)化、復(fù)雜網(wǎng)路排序等方面獲得突破。
薛鵬：肯定是量子估算，量子估算是一個相對來說比較遙遠的方向，最難也最有意義。除此之外，像量子保密通訊及量子精密檢測等都應(yīng)用到了量子糾纏的特點，量子糾纏也是我們比較關(guān)心的問題，有可能形成一些改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活形式的應(yīng)用。
武愕：目前量子信息領(lǐng)域中的核心問題有幾個方面：量子通訊，量子模擬，量子傳感器，量子估算。
澎湃科技：您認為距離實現(xiàn)真正的量子計算機，還有什么核心科學(xué)問題須要解決？
金賢敏：近些年來，量子估算硬件物理平臺各種技術(shù)路線的比特數(shù)及量子容積等指標頻創(chuàng)新高，但仍處在并行發(fā)展階段，并未出現(xiàn)技術(shù)路線收斂的趨勢。目前國際公認的三大主流方向：超導(dǎo)、離子阱、光量子。其中超導(dǎo)量子計算機的運行環(huán)境須要近乎絕對零度，對氣溫有很高的要求，離子阱量子估算須要超高真空和一定的高溫環(huán)境。實現(xiàn)通用量子計算機有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度。而光量子路徑是惟一才能滿足這種條件的技術(shù)體系，是通向大規(guī)模通用量子估算的最可行路徑。
薛鵬：首先是大規(guī)模量子糾纏制備。除此之外，要真正做量子估算可能須要讓多個粒子都處在一個糾纏態(tài)上，即怎樣制備多粒子糾纏。據(jù)悉，還要保持它的相干特點，讓它的壽命顯得很長。由于量子的所有特點都基于它的疊加特點，假如有一個外界的干擾，或則說噪音，把它的相干性清除了，這么它還會喪失量子糾纏的特點不能否應(yīng)用到量子估算。所以說它十分難得，又特別容易被破壞。
武愕：距離實現(xiàn)通用的量子計算機，目前須要解決的核心的科學(xué)問題還是要實現(xiàn)量子比特的大規(guī)模化制備與操控。