光子盒研究所
新數(shù)據(jù)顯示，諾貝爾數(shù)學(xué)獎(jiǎng)獲得者一般平均要等待 20 年才能獲得這一享有盛譽(yù)的榮譽(yù)。
— 對(duì)于約翰（約翰·克勞斯飾）來說，等待的時(shí)間是兩倍多。
2022年10月4日，這位80歲的化學(xué)家將與阿蘭（Alan Aspe）和安東（Anton ）一起被評(píng)為諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)共同獲得者。 他們因進(jìn)行開創(chuàng)性的“糾纏光子實(shí)驗(yàn)、違反貝爾不等式以及開創(chuàng)量子信息科學(xué)”而受到廣泛贊譽(yù)。
克勞斯的研究可以追溯到 1972 年：他反駁了量子熱的有效性，并為密碼學(xué)和計(jì)算領(lǐng)域的新興應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
近日，克勞斯正在美國訪問，并在“量子日本2023峰會(huì)（）”上發(fā)表了非常特別的演講——這是由科學(xué)技術(shù)信息通信部和韓國研究院主辦的量子信息國際會(huì)議。 這是 2025 年慶祝學(xué)校 120 歲生日的下一次智能峰會(huì)的一部分。
約翰·克勞斯在釜山西部東邦門區(qū)的一家酒店接受美國《中央晚報(bào)》記者采訪。
6月26日，美國最大媒體《中央晚報(bào)》記者在釜山西部東邦門區(qū)的一家酒店會(huì)見了諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，并討論了他的成就。
恭喜您獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 你感覺如何？
我真的非常興奮。 百分之九十的科學(xué)家想要諾貝爾獎(jiǎng)，百分之十都是騙局； 這是一個(gè)人可以獲得的最高榮譽(yù)。
問：請(qǐng)介紹一下您的獲獎(jiǎng)研究？
克勞斯：基本上，尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦之間就量子熱的含義以及量子熱是否是一個(gè)完整的理論進(jìn)行了爭論。 事實(shí)證明，這個(gè)問題從未得到完全解決。 在試圖理解隨機(jī)性從何而來以及量子熱的疊加從何而來時(shí)，他（愛因斯坦）認(rèn)為量子熱并不是一個(gè)完整的理論。 他想減少理論中沒有的額外變量——“隱藏變量”——以解釋糾纏。
那么，什么是糾纏呢？ 薛定諤提出了兩個(gè)方程。 第一個(gè)方程描述了氧，它有一個(gè)電子； 第二個(gè)方程描述氫，它有兩個(gè)電子。 在第二個(gè)方程中，他發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電子以某種方式交織在一起并糾纏在一起； 正如薛定諤所說，這是一個(gè)非常復(fù)雜的方法，人們無法理解，但為了解釋氦光譜，這是必要的。
根據(jù)薛定諤的第二個(gè)方程，當(dāng)兩個(gè)電子相距很遠(yuǎn)時(shí)，它們?nèi)匀灰砸环N特別奇怪、緊密的形式糾纏在一起。 那么當(dāng)時(shí)的問題是，這真的正確嗎？ 如果它們緊密地堆積在氦原子內(nèi)，它們實(shí)際上會(huì)相互作用。 但如果你把它們放在很遠(yuǎn)的地方，它們?nèi)匀粫?huì)根據(jù)量子熱學(xué)相互作用。 這讓薛定諤和愛因斯坦都感到不安。 因此薛定諤甚至認(rèn)為這個(gè)方程是錯(cuò)誤的。 電子的糾纏似乎消失了，但這將改變理論的預(yù)測。 于是這就成了玻爾和愛因斯坦之間的爭論。
愛因斯坦想要減少額外的變量，玻爾說不：他們不需要。 我們能想到的理論的任何改變都會(huì)改變預(yù)測； 沒有人愿意承認(rèn)這些預(yù)測可能是錯(cuò)誤的。
——只是出了點(diǎn)問題。 所以基本上，這些條件一直持續(xù)到 1964 年，當(dāng)時(shí)約翰·貝爾正在研究這個(gè)理論。
他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極其驚人的結(jié)果。 事實(shí)上，在量子熱學(xué)中添加這個(gè)額外的變量是完全不相容的，并且改變了量子熱學(xué)的預(yù)測，與愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和內(nèi)森·羅森的預(yù)測完全相反，這純粹是嘲諷。
然后在 1969 年，當(dāng)我還是一名研究生時(shí)，霍恩、阿布納、霍爾特和我說，事實(shí)上，量子熱并不總是完全正確的。 所以，我們把貝爾的結(jié)果改成了可以實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試的方式。
因此，我最終在 1972 年與斯圖爾特·弗里德曼 ( ) 一起做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，我不知道做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)生什么； 但我知道我會(huì)以某種方式解決玻爾和愛因斯坦之間的爭論。 謙虛地說，我把賭注押在愛因斯坦身上：他是我心目中最偉大的英雄之一；他是我的英雄。 但我不知道的是，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，我發(fā)現(xiàn)愛因斯坦錯(cuò)了，玻爾是對(duì)的。
我才敢真正出去嘗試一下。 事實(shí)上，我在 70 年代初期做了四次不同的實(shí)驗(yàn)。 我的共同諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、來自倫敦的艾倫·阿斯佩 (Alan Aspe) 的工作是在 80 年代完成的； Anton 始于 80 年代末，一直持續(xù)到 90 年代和 2000 年代。
從那時(shí)起，事情明顯發(fā)生了變化。
1975 年 11 月 7 日，克勞瑟和斯圖爾特·弗里德曼在加州研究所伯克利校區(qū)進(jìn)行了量子熱實(shí)驗(yàn)2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)量子糾纏實(shí)驗(yàn)，以測試貝爾定律，克勞瑟是加州研究所的博士后研究員。
問：您在上一篇文章中提到，當(dāng)決定測試貝爾的提議時(shí)，每個(gè)人都告訴您這是不可能的，甚至包括您的導(dǎo)師。 是什么促使你做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的？
克勞斯：我意識(shí)到什么是利害攸關(guān)的； 整個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)都處于危險(xiǎn)之中。 從伽利略和牛頓2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)量子糾纏實(shí)驗(yàn)，一直到愛因斯坦，人們想要一種用微分方程封裝的數(shù)學(xué)描述，來描述在我們生活的三維世界中事物如何作為時(shí)間的函數(shù)進(jìn)行通信。
邁克·霍恩和我推測這是不可能的。 這是支撐愛因斯坦數(shù)學(xué)攻擊計(jì)劃的整個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)； 不幸的是，我們?cè)谶@件事上已經(jīng)把所有的腿都從椅子上拉了出來。
——這非常令人沮喪； 我從一開始就知道這會(huì)是一個(gè)問題。 邁克霍恩和我終于弄清楚了這樣做的所有細(xì)節(jié)。 其他人沒有意識(shí)到做這種實(shí)驗(yàn)有多大風(fēng)險(xiǎn)，這就是我堅(jiān)持下去的動(dòng)力。 雖然其他人都告訴我，我做這種實(shí)驗(yàn)完全是瘋了，但這會(huì)毀掉我的職業(yè)生涯。 嗯，確實(shí)如此。 我從來沒有當(dāng)過院長。
但我認(rèn)為我的實(shí)驗(yàn)都很重要。
問：目前正在開發(fā)各種利用量子糾纏的量子技術(shù)，例如量子計(jì)算機(jī)和量子加密衛(wèi)星。 就國家發(fā)展而言，您認(rèn)為什么技術(shù)是最優(yōu)先考慮的？
克勞斯：溫和地說，我懷疑量子計(jì)算機(jī)有點(diǎn)被夸大了。 普通計(jì)算機(jī)能解決的問題數(shù)量以百萬或數(shù)十億計(jì)； 量子計(jì)算機(jī)只能有效解決少數(shù)問題。 量子加密是新技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力。 事實(shí)上，金融行業(yè)對(duì)加密非常感興趣，因?yàn)樗軌蛲耆用艿匕l(fā)送金融交易和類似的通信，因?yàn)樗姓畽C(jī)構(gòu)都會(huì)保守秘密。 因此，加密通信（盡管僅在您的手機(jī)上）明天將非常重要。 對(duì)此，量子加密是相當(dāng)有價(jià)值的。 我想說它比量子估計(jì)更有價(jià)值。
問：衛(wèi)星量子通信所需的糾纏粒子的規(guī)模或數(shù)量是多少？是否有可能在這些規(guī)模下保持糾纏？
克勞斯：這是可能的。 第一顆此類衛(wèi)星是中國幾年前發(fā)射的“”衛(wèi)星。 據(jù)《&News》文章報(bào)道，據(jù)我所知，日本沒有任何量子加密衛(wèi)星。 許多其他國家都有進(jìn)行量子加密的項(xiàng)目。
據(jù)我所知，目前唯一真正在飛行的量子加密衛(wèi)星是中國的墨子號(hào)衛(wèi)星。 我想我已經(jīng)問過我的朋友為什么沒有英國衛(wèi)星了。 最好的猜測是，一路上有太多的（潛在的）泄漏，有太多的方式讓它真正被黑客攻擊，也有太多的方式讓它從平臺(tái)上消失。
問：您認(rèn)為量子領(lǐng)域還有其他領(lǐng)域有可能贏得下一屆諾貝爾獎(jiǎng)嗎？
克勞斯：祝他們好運(yùn)！ 我花了50年的時(shí)間，我不知道為什么花了這么長時(shí)間。 我推測有些諾貝爾獎(jiǎng)涉及政治，我很高興我得到了一個(gè)。 在數(shù)學(xué)中，我聽到的最緊迫的問題是以某種形式統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子熱——我認(rèn)為糾纏是將兩者結(jié)合起來的某種問題的關(guān)鍵。
最緊迫的問題是以某種方式將廣義相對(duì)論與量子熱統(tǒng)一起來。
問：您認(rèn)為哪些研究課題對(duì)于學(xué)術(shù)界在量子領(lǐng)域取得突破至關(guān)重要？
克勞斯：沒有人能肯定地說。 事實(shí)上，我們所有從事這項(xiàng)工作的人都不知道會(huì)有應(yīng)用程序。 我們只是在研究純數(shù)學(xué)。 但擁有良好、強(qiáng)大的科學(xué)研究計(jì)劃至關(guān)重要。 沒有這個(gè)，我們將一事無成。 如今，化學(xué)領(lǐng)域的某些研究領(lǐng)域我覺得很荒謬，比如弦理論。 但誰知道呢？ 我無法預(yù)測。
既然你談到了，量子糾纏被證明之后，人們對(duì)量子技術(shù)的希望是非常大的。 有人說，到2030年，市場規(guī)模將超過1萬億美元，即770億港元。 50年前你有想過這個(gè)市場會(huì)發(fā)展得這么大嗎？
絕對(duì)不。 這完全超出了我最初夢想的范圍。 當(dāng)我進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，我不知道會(huì)得到什么結(jié)果。 我賭愛因斯坦，但不知道結(jié)果如何。 我知道我會(huì)得到結(jié)果，我知道我會(huì)解決這場辯論。 除此之外，我什么都不知道。
問：量子實(shí)際上是美國12項(xiàng)國家戰(zhàn)略技術(shù)（日本政府尋求戰(zhàn)略發(fā)展的技術(shù)）之一。 您對(duì)日本的量子研究有什么想法嗎？
克勞斯：我對(duì)此了解不夠，無法回答。
問：日本的量子研究現(xiàn)狀如何？
克勞斯：實(shí)際上，對(duì)于科學(xué)來說，自從羅納德·里根成為總理以來，澳大利亞科學(xué)仍然嚴(yán)重資金不足。 自里根政府以來，科學(xué)預(yù)算占國內(nèi)生產(chǎn)總值的百分比持續(xù)回升。 在共和黨的領(lǐng)導(dǎo)下，它仍在增長。 在民主黨的領(lǐng)導(dǎo)下，這一數(shù)字趨于持平。 但最終的結(jié)果是，多年來，它已降至世界最低水平之一。
我對(duì)德國的科學(xué)研究狀況感到非常沮喪。 據(jù)了解，所謂的 STEM 學(xué)院和工程學(xué)院之間存在競爭。 工程實(shí)際上優(yōu)于 STEM。 最終的結(jié)果是，科學(xué)素養(yǎng)，特別是身體素養(yǎng)，已經(jīng)上升了。 我強(qiáng)烈懷疑美國人可能普遍比德國人受教育程度更高。 我沒有這方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但我不會(huì)感到安慰。
問：從長遠(yuǎn)來看，您認(rèn)為 STEM 研究資金不足存在哪些問題？
克勞斯：你需要錢來做研究。
日本實(shí)際上成為第二次世界大戰(zhàn)中的世界領(lǐng)導(dǎo)者。 有大量資金投入科學(xué)研究、航空、雷達(dá)電子、物理學(xué)和原子彈研究。 只是投入了大量資金：戰(zhàn)爭結(jié)束時(shí)，科學(xué)家們留下了許多新技術(shù)，他們可以將這些新技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)前甚至不存在的實(shí)驗(yàn)化學(xué)。 這是技術(shù)狀況的一夜之間的變化。 這一切都與政府為第二次世界大戰(zhàn)提供的大量資金有關(guān)。
參考鏈接：
[1]
[2]