新華社電英國皇家科大學4日宣布,將2022年諾貝爾化學學獎授予美國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和德國科學家安東·塞林格,以嘉獎她們在“糾纏光子實驗、驗證違背貝爾不方程和開創量子信息科學”方面所做出的貢獻。
日本皇家科大學在當日發表的新聞公報中說,三位得獎者在量子糾纏實驗方面都有重要貢獻。量子糾纏是指,在量子熱學中處于糾纏態的兩個或多個粒子,雖然分開很遠距離,有些狀態也會表現得像是一個整體。她們的實驗結果“為基于量子信息的新技術掃清了公路”,目前在量子估算、量子網路和量子保密通訊方面已有大量相關研究。
公報說,在量子熱學的發展歷程上有一個知名的貝爾不方程,假若它仍然創立,這么量子熱學可能被其他理論取代。因此,許多量子科學家仍然在找尋違背貝爾不方程的驗證,克勞澤提出了一個借助處于糾纏態的光子的實驗,其結果可以違背貝爾不方程,阿斯佩進一步彌補了克勞澤實驗中的重要漏洞。塞林格進行了更多實驗,但是其團隊還借助量子糾纏展示了量子隱型傳態,即有關量子態的傳輸。
阿斯佩1947年出生于英國,目前為英國倫敦-薩克雷學院和倫敦綜合理工學院院長;克勞澤1942年出生于法國,目前就職于他自己在加利福尼亞州創始的一家公司;塞林格1945年出生于法國,目前為法國維也納學院院長。
三名科學家將平分1000萬澳大利亞盧布(約合90萬港元)獎金。
量子的世界,遠比你想像得神奇
“量子”是能量存在的最小單元
了解去年的諾獎成就“量子信息”之前,你必須先理解這兩個概念,“量子”和“量子糾纏”。當一個物體存在最小的不可分割單元時,我們就說它是量子化的,并把這個最小單元稱為一個量子。這個概念由美國化學學家普朗克在1900年研究宋體幅射時率先提出——能量存在最小單元即“能量子”(量子),它的傳播是不連續的,而是一份一份的。量子化是量子熱學的主要特點之一。不僅能量以外量子糾纏物理諾獎,電荷、粒子載流子等化學量也是量子化的。
“我們了解了微觀世界的原子和分子,而想要更好地描述世界,所依賴的理論根據就是量子熱學。”馬小松院士告訴記者。量子科學區別于精典化學定理,在量子熱學基本原理的基礎上重新建立的具有顛覆性的觀察、認識和理解微觀世界的方式和理論。
“量子糾纏”有著神奇的特點
“如果量子熱學描述的現象正確的話,兩個用戶A和B,無論間隔的空間和時間有多遠,它們之間永遠能形成關聯。”專家對量子糾纏做了一個淺顯的解釋:在廣袤的宇宙中有一種現象雖然顛覆了自然法則,假如把兩個粒子放在一起配對后,再把兩個粒子分開,一個置于實驗室,而另一個置于宇宙空間,此時神奇的事情就發生了。雖然置于宇宙空間的粒子與月球上的這個粒子距離數百光年外,也能與另一個粒子互相關聯。此時,科學家將月球上的一個粒子向左旋轉,這么,宇宙空間的另一個粒子會同時往右旋轉,不受月球與宇宙空間的距離限制。這就是神奇的量子糾纏現象。
借助量子糾纏,科研工作者們相繼在量子通訊、量子估算、量子精密檢測等領域作出實踐性開拓。
三位科學家贏在了對量子化學最關鍵工作的印證
馬小松院長告訴記者,量子熱學與相對論是二十世紀數學學最重要的兩大進展。自20世紀初量子熱學誕生以來,包括普朗克、玻爾、愛因斯坦等100多位科學家因為量子化學的研究而獲得諾貝爾獎。去年諾貝爾化學學獎,可以理解為頒授給了量子化學領域的科學家。三位科學家從基礎數學的方面驗證了貝爾不方程的不創立,但是在量子信息領域作出了新的成就。
“從20世紀70年代末開始,科學家們就在進行量子糾纏方面的工作。此次三位科學家在諾獎評比中的勝出,贏在了她們對于量子化學最關鍵工作的印證,展現出了量子熱學和日常生活的不同之處。”馬小松說,
量子化學未來能“改變世界”
專家介紹,在理論化學研究的基礎上,科研工作者們有了新的“小目標”,要用量子化學來“改變世界”。例如,在新藥研制領域,量子估算才能幫上大忙。“目前的新藥研制,科研人員須要在一遍遍試驗的基礎上做歸納和統計。有了量子估算的幫助,科研人員就可以從分子和原子的微觀角度,去估算怎樣與抗生素靶向相結合,這會大大提升新藥研制的效率。”在油田鉆探領域,量子精密檢測則像一個自帶“透視鏡”的“千里眼”,可以通過遠距離檢測的方法來幫助工作人員檢查油田儲備情況。
而目前推動最有成效的量子通訊,讀者們相對會愈加熟悉一些。“量子通訊最大的優點是安全,它不會改變我們目前的信息通訊形態,但卻還能讓信息愈發安全。如果有人企圖在通訊過程中泄露信息,這么正在通訊的雙方都會迅速得悉。”馬小松形象地打了個比方,量子通訊就是一個自帶“保險柜”的加密通訊過程,因而,在未來擁有寬廣的前景。
南大院士眼里的諾獎得主
對于基礎數學仍然保持著濃郁的興趣和好奇心
去年77歲的安東·塞林格量子糾纏物理諾獎,是上海學院馬小松院士在英國讀博士和博士后階段的導師,從2005年到2012年,馬小松在維也納量子光學和信息研究所渡過了7年的研究生涯。他告訴記者,導師留著顯眼的大胡須,詼諧、幽默,頗具人情味。對于基礎數學仍然保持著濃郁的興趣和好奇心。“舉個事例,我們的組會多半在晚上開,每位人帶上自己的晚餐,一邊吃一邊聽報告,整體討論的氣氛也比較輕松。”
安東·塞林格給了中學生充分自主的研究環境,在馬小松的印象里,導師會頻繁約請外校和外國的學者前來交流,給你們創造挺好的交流討論和學習的氣氛。在中學生的科研碰到困難時,安東·塞林格會是最堅強的后盾。“我在2008年開始了一個實驗,實驗對于天氣、環境等誘因的要求比較高,因而做到2012年才成功。”馬小松說,在2010到2011年,自己的實驗以前由于撒哈拉荒漠的沙塵暴而耽擱,“那時我們都有些失望,但當時早已60多歲的老師,不顧高齡,堅持來到了加拿大,夜晚和我們一起熬熬夜做實驗,還給我們送上了好多鼓勵,給我留下了十分深刻的印象。”