記者| 錢伯彥
日本科學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國(guó)科學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞斯（John F.）和法國(guó)科學(xué)家安東·塞林格（Anton）共同獲得今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
這三位量子信息科學(xué)領(lǐng)域的專家因通過(guò)光子糾纏實(shí)驗(yàn)證實(shí)貝爾方程在量子世界中不存在，開(kāi)創(chuàng)了量子信息科學(xué)而獲獎(jiǎng)。
愛(ài)因斯坦與玻爾之間的斗爭(zhēng)
這一切都始于愛(ài)因斯坦著名的“上帝不擲骰子”。
在20世紀(jì)初幾乎所有著名數(shù)學(xué)家齊聚的索爾維會(huì)議上，以愛(ài)因斯坦為代表的傳統(tǒng)學(xué)派和以玻爾為代表的赫爾辛基學(xué)派對(duì)前者的量子熱展開(kāi)了學(xué)術(shù)論述。
與牛頓經(jīng)典熱力學(xué)和相對(duì)論系統(tǒng)可以獲得確定性化學(xué)量不同，量子熱力學(xué)的基本原理之一是微觀系統(tǒng)可以由波函數(shù)組成，即本質(zhì)上由概率組成。 微觀系統(tǒng)也因波函數(shù)的存在而處于不確定狀態(tài)，直到觀察到微觀系統(tǒng)后波函數(shù)突然崩潰，而具有宏觀世界中常見(jiàn)的某種確定狀態(tài)。
這種波函數(shù)的存在也意味著微觀系統(tǒng)不僅可以根據(jù)波函數(shù)進(jìn)行疊加，而且在波函數(shù)崩潰之前具有不確定的多重狀態(tài)。 這種不確定的隨機(jī)性也被愛(ài)因斯坦視為上帝在創(chuàng)造世界時(shí)犯下的一個(gè)不可能的錯(cuò)誤，即上帝不玩骰子。 英國(guó)化學(xué)家薛定諤（1887-1961）也在此基礎(chǔ)上構(gòu)思了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)——既死又活的薛定諤貓。
著名的思想實(shí)驗(yàn)薛定諤的貓。 在觀察者打開(kāi)裝有毒藥的袋子進(jìn)行觀察之前，貓?zhí)幱诩人烙只畹牧孔盈B加狀態(tài)。 與違反常識(shí)的實(shí)驗(yàn)類似2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)量子糾纏視頻，還有單電子雙縫實(shí)驗(yàn)，即電子的特性會(huì)根據(jù)觀察者是否觀察而表現(xiàn)出兩種特性，即當(dāng)觀察者不觀察時(shí)，它會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)性，并且當(dāng)觀察時(shí)（波函數(shù)崩潰后），它會(huì)表現(xiàn)出粒子。 性別。 來(lái)源：門(mén)
1935年，為了摧毀玻爾的量子熱，愛(ài)因斯坦進(jìn)一步構(gòu)想了另一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：EPR悖論。
這個(gè)悖論假設(shè)一對(duì)特定的粒子處于量子糾纏狀態(tài)。 例如，一個(gè)大粒子在理想條件下衰變成兩個(gè)粒子AB。 由于角動(dòng)量守恒定律的存在，可以假設(shè)兩者的載流子之和為零。 如果將粒子的載體的數(shù)學(xué)量視為信息的載體，當(dāng)一對(duì)粒子向相反方向離開(kāi)時(shí)，觀察到仍處于量子疊加態(tài)的A粒子的載體就會(huì)塌縮。 并且由于AB粒子處于糾纏態(tài)，B粒子的波函數(shù)也會(huì)突然坍縮。
如果以光年來(lái)估算粒子對(duì)之間的距離，那么當(dāng)某個(gè)粒子的波函數(shù)塌縮時(shí)，它們的信息載體實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離傳輸，這違反了光速是宇宙最大速度的定理。
量子糾纏。 圖片來(lái)源：
從貝爾不等式到諾貝爾獎(jiǎng)
由于赫爾辛基學(xué)派未能完美回答愛(ài)因斯坦提出的EPR悖論，假設(shè)存在尚未被發(fā)現(xiàn)或觀察到的變量的“隱變量理論”就進(jìn)入了歷史舞臺(tái)。 在實(shí)驗(yàn)化學(xué)技術(shù)尚未突破的20世紀(jì)60年代，不可證偽的“隱變量理論”一度成為量子熱的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
1964年，美國(guó)化學(xué)家約翰·貝爾提出了貝爾不等式，該方程在經(jīng)典熱力學(xué)中成立，但在量子熱力學(xué)中尚未成立。
日本科學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞斯隨后首先對(duì)貝爾方程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 英國(guó)科學(xué)家艾倫·阿斯佩于1982年首次在精確意義上檢驗(yàn)了EPR悖論，證明了貝爾方程的不一致性和量子熱的正確性。
貝爾不等式的破滅不僅為克勞斯和阿斯佩兩位化學(xué)家?guī)?lái)了明年的化學(xué)獎(jiǎng)，也意味著愛(ài)因斯坦看似荒唐的EPR悖論確實(shí)存在。 唯一的問(wèn)題是，由于波函數(shù)塌縮成純概率波2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)量子糾纏視頻，所以另一端的觀察者也很難確定某個(gè)粒子的化學(xué)量在自己的觀察下是否已經(jīng)塌縮或塌縮了。 因此，基于量子糾纏的超光速、遠(yuǎn)距離即時(shí)通信是不可行的。 通過(guò)量子糾纏通道傳輸?shù)男畔⒈举|(zhì)上是無(wú)效信息，這并不違反宇宙有效信息傳輸速率限于光速的定律。
事實(shí)上，類似《三體》三體人通過(guò)量子糾纏控制質(zhì)子完成入侵月球橋梁實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的情況不會(huì)發(fā)生，而這并不意味著量子通信只是鏡像。
作為量子信息科學(xué)研究的突破，德國(guó)科學(xué)家安東·塞林格于1997年在因斯布魯克和維也納完成了量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。與超光速信息傳輸不同，量子隱形傳態(tài)似乎采用某種量子態(tài)作為信息載體，但仍然需要C AB糾纏粒子對(duì)之外的粒子作為介質(zhì)和經(jīng)典通道（即廣泛使用的電磁波通信）輔助。
塞林格在量子通信領(lǐng)域取得突破的背后，還有他1997年帶來(lái)的中國(guó)學(xué)者、博士生潘建偉的貢獻(xiàn)。
回國(guó)后，潘建偉于2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳態(tài)，隨后于2012年在南京建成了世界上第一個(gè)大規(guī)模量子通信網(wǎng)絡(luò)。2016年，他所在的墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家，成功發(fā)射，承載了世界上首次衛(wèi)星與地面之間的量子通信。
諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮最后提到了潘建偉和塞林格的量子隱形傳態(tài)。 量子隱形傳態(tài)和傳統(tǒng)意義上的量子通信（即量子加密通信）不是一個(gè)話題。來(lái)源：英國(guó)皇家科學(xué)大學(xué)
2019年，潘建偉帶領(lǐng)的中科大團(tuán)隊(duì)再次與其導(dǎo)師塞林格維也納研究所團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了高維量子系統(tǒng)的隱形傳態(tài)。 此次合作也成為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上壓軸技術(shù)的實(shí)際案例。
