日前，2022年諾貝爾化學學獎獲得者即將出爐，得獎者分別為美國化學學家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國理論和實驗化學學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF.）和德國化學學家安東·塞林格（Anton）.
2022年諾貝爾化學學獎得獎者
乘著近些年來火熱的量子熱學狂風，去年數學學諾獎的施行也成了大眾關注的熱點。不過，量子化學似乎已經應用在了人們生活的各個方面。只是在介紹這種應用之前，還需先簡單了解哪些是量子化學。而要說清楚這一問題，還得從愛因斯坦那句“上帝不會擲色子”說起。
因果論和隨機性
量子化學史上的三次論爭
“上帝不會擲色子”來自于愛因斯坦同玻爾的辯論中。當時，以玻爾為首的阿姆斯特丹學派覺得，在量子熱學中存在不確定性原理，也即“粒子的位置與動量不可同時被確定”。（玻爾是1922年諾貝爾化學學獎獲得者，提出了互補原理）
而這點讓愛因斯坦很苦惱，他表示不認同玻爾的數學哲學。愛因斯坦覺得，數學就是通過找出與因果相關的變量，來量化自然里的事物，一切未被解釋或定性的，只是沒有確定某個變量。于是愛因斯坦深信因果論，不承認自然界存在隨機性，更別說不確定性原理。
愛因斯坦與玻爾
相反地，玻爾很堅持自己學派的理論量子物理現實應用，承認這些隨機性。（阿姆斯特丹學派包括玻爾、海森堡、泡利和玻恩等化學學家）
在波函數的幾率展現中，阿姆斯特丹學派覺得，量子熱學必須舍棄傳統熱學的因果律和決定論，而把機率看作本質。
在海森堡提出的不確定性原理中，海森堡覺得，在用宏觀儀器觀測微觀粒午時，觀測這個動作即對微觀粒子引起了干擾，猶如盲人想曉得雪花的形狀和構造那樣。（在量子化學的檢測中，即降低位置的確定性，便增加了動量的確定性，在時間和能量上也適用）
在玻爾提出的互補原理中，對不確定性原理進行了補充，玻爾表示，微觀粒子具有波粒二象性，即粒子和波兩種圖象不能同時存在。但為提供完整的描述，又必須將這兩種圖象結合互補。（波粒二象性，如一條來回奔跑的狗可以被描述跑的路線，也可以被描述在某一位置的靜止狀態，但兩種描述不能同時存在）
但愛因斯坦覺得，假如承認隨機性、摒棄因果論，假若量子熱學僅可構建在可觀察量的基礎上，那理論便限制了人能觀察到的東西，那數學研究的意義何在，所以表明立場——量子熱學不具有完備性。
以后，也就爆發了數學學史上最精彩的幾次論爭。雖然愛因斯坦對機率性和不確定性已經不滿。
索爾維大會
第一次論爭
在1927年的第五屆索爾維大會上，愛因斯坦發起了第一次逼搶——針對位置與動量。他設計了雙縫干涉理想實驗，通過控制電子槍使電子挨個發射，屏上的顯示即為電子的位置，而關掉一個空隙，即可曉得電子從那個縫下來，因而測出其路徑。因為干涉白色可以估算電子波的波長，所以可以算出電子的動量，于是動量和位置同時可知，不確定性被推翻。
玻爾思索許久指責道，假如關掉了其中任何一個縫，雙縫的干涉現象便不復存在，實驗又回到了單縫狀態。更重要的是，電子行為依賴于壁障上是否有多的狹縫，即依賴于我們對實驗的安排。于是，愛因斯坦的理想實驗逼搶失敗，還成了用互補原理證明波粒二象性的事例。
第二次論爭
在1930年的第六屆索爾維大會上，愛因斯坦發起了第二次逼搶——針對時間和能量。他設計了一個理想光子箱，上面裝著光和掛鐘，在某一特定時間讓一粒光子從袋子的小縫飛出，之后稱得袋子的質量改變情況（因為光再小也具有有效質量）。依據愛因斯坦的質能多項式，即可測出能量變化，同時在掛鐘計時的情況下，時間也得到了檢測，不確定性再被推翻。
玻爾聽完此實驗臉色慘白，不過在一下午的思索過后，他做出了漂亮的回答。因為光子箱是由彈簧秤檢測，而當光子飛出造成袋子質量變化時，袋子也必定沿重力方向運動。此時雖然質量檢測確切，但因為袋子在重力場發生了位置變化，箱內掛鐘的快慢也將因廣義相對論的紅移效應而改變，進而促使時間的檢測形成一個不確定量，于是時間的檢測仍不夠確切。
于是，第二次論爭中，愛因斯坦再敗，但他很滿意玻爾的解釋。
第三次論爭
在這以后，愛因斯坦并未舍棄，仍堅持覺得量子熱學不夠完備。于是便在1935年聯合波多爾斯基、羅森發布了知名的EPR悖論，此次愛因斯坦引用了量子熱學的“全同粒子”概念，再度向不確定性原理發起了逼搶。（全同粒子是指處于一個原子內部的兩個電子，在脫離原子成為獨立電子后，能夠具有完全相同的屬性）
愛因斯坦假定，全同粒子A和B沿辯題向飛去，依據動量守恒，A和B動量必將相反，A飛了多遠B也一樣。于是此時檢測A的動量，便可得B的動量，此時檢測B的位置，也能求出A的位置。這么每位粒子都只測了一次，卻曉得了它們的動量和位置信息，又一次推翻了不確定性原理。
這一次，玻爾回答說，A和B應當算作一個量子系統，用同一個波函數表示，當你檢測A的動量時，雖然就早已破壞了B的位置信息，反之亦然。這兩個粒子似乎分開，但處于某種“糾纏狀態”。
愛因斯坦此次可不買賬，他掏出了相對論來駁斥：這兩個粒子可以相距幾十光年，那它們都會互相影響嗎？莫非說它們之間存在超光速的超距作用（亦稱為非定域性量子物理現實應用，即趕超時空頓時地作用和傳播）？玻爾直至離世也沒給出直接回答。
量子糾纏
后來，愛因斯坦引入了量子糾纏的概念，也就是說，不確定性原理之所以創立，是由于量子之間存在超光速的糾纏效應。而這個糾纏效應用因果論的話來說，就是一個隱變量，倘若能確切找出并定性該隱變量，能夠確切地同時測算出位置和動量、時間和能量，也就不會出現不確定性。
關于這個隱變量，玻爾不承認它的存在，但是后續也不再有針尖對麥芒的論爭，你們都在“各說各的”。于是當時的學術氣氛弄成——要么選擇相信隨機性，追隨阿姆斯特丹學派；要么去找出愛因斯坦都找不出的隱變量。為此，量子熱學的研究停滯不前。
直至貝爾實驗和貝爾不方程的出現，總算在隱變量這朵大烏云下，讓量子熱學重新見到了曙光。
愛因斯坦頭號迷弟的成就
竟是證明愛因斯坦錯了
按照本次諾獎官方通稿表示，“此獎為嘉獎她們在量子信息科學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立。并開創了量子信息這一學科。”
不過，貝爾是誰？哪些是貝爾實驗和貝爾不方程？
貝爾與貝爾不方程
約翰·斯圖爾特·貝爾同樣是一名化學學家，只不過生得比較晚，在愛因斯坦和玻爾論爭之時，貝爾才不到十歲。但他后來是愛因斯坦的忠實跟隨者，為證明EPR佯謬的正確性，他在1964年提出了知名的貝爾不方程，以巧奪天工的邏輯，找出了隱變量存在的證據。
貝爾不方程涉及到三維空間內的粒子載流子運動，解釋上去比較麻煩。筆者在網上找到一個容易理解的類比式版本，可以輕松看懂貝爾實驗的內核。
首先，將粒子發射器稱作房屋，左右兩扇門稱作發射口，粒子稱作人，粒子的屬性為人的性別。最初，一個屋子左右兩扇門，隔一定時間，每一扇門分別走出一男或一女。A記錄左門，B記錄右門，結果證明一個規律，左右門走出男女情況一定相反。
AB記錄房屋里走出的男女示意圖1
然后加入變量，A保持面對左門記錄，B背對右門等人下來以后再記錄。結果發覺，她們所記錄的情況出現了1%的偏差。于是規律改變：當A或B背隔壁記錄時（觀測方式改變時），左右門走下來的男女情況有1%的機率相同，這同時證明每一對走下來的人存在交流（即存在量子糾纏）。
AB記錄房屋里走出的男女示意圖2
然后再加入變量，A、B同時背隔壁等人下來雜記錄，于是根據過往規律，偏差將≤2%。若偏差情況在預計中，即證明隱變量存在且可控，愛因斯坦正確。但若果偏差＞2%，即證明玻爾正確，量子熱學存在不確定性。
AB記錄房屋里走出的男女示意圖3
但實驗并未完成，由于當時配置不夠，貝爾以理論推導入貝爾不方程，認定此偏差≤2%，證明愛因斯坦的理論正確。
不過隨著時代發展，配置日漸齊全，后人（也即近期奪得諾獎的兩人）仍在不斷進行貝爾的實驗，只是后來的結果卻與貝爾不方程偏頗。也即是說，前文提及的偏差，在后來克勞澤的實驗中大到令人無法置信，貝爾不方程也被證明在量子世界中不創立。
而由此可推出那場化學界小型論爭的結果——愛因斯坦錯了，玻爾是對的。
但這不是最終結論，由于實驗仍在繼續，化學學家們想厘清楚偏差是如何出現的。于是在阿斯頓的實驗里，他設計了超長的距離。回到之前的類比，他想曉得——房間走下來的那對人，其性別是取決于AB的觀測方式；還是說人下來時沒有性別，是雙方聯系后才決定各自性別的。
也就是想曉得，被發射粒子的屬性是與生俱來的；還是說粒子下來時不具備屬性，而是會相互聯系并判定觀測者的觀測方式，來決定自己呈現哪些樣的屬性。
結果令人大吃一驚。第一是粒子出現時不具備屬性，攜帶哪些樣的屬性的確是取決于觀測者的觀測方式；第二是粒子間的確存在相互聯系，但是因為實驗中成對的粒子距離足夠遠，消息的交互已經超過了光速，這點證明了超距作用的存在，也即量子糾纏的確存在。
這是一個令不少人三觀倒塌的推論。也就是照此邏輯，在量子世界里，各粒子都不自帶屬性，所謂的“客觀存在”也不創立？我們怎么觀測它，它就怎么呈現自己的屬性，那量子世界完全由我們的主觀構成嗎？
這點顯然得相當專業的人士能夠解答。不過筆者還曉得一些，關于量子化學在現在和未來有哪些用。
量子應用多點開花
物聯網領域已開始試點
就目前的發展來看，量子技術將對物聯網形成不少積極影響，包括對估算能力、網絡延后、互操作性、實時剖析等功能的優化，同時降低數據儲存能力，為云估算提供安全保障。另一方面，在新興的5G聯通基礎設施中，量子加密將是提升IoT聯接量增長的解決方案。
量子物聯網還可以提高數據流的可操作性，將來自不同邊沿的數據流（從產品線上的武器到消費品中的傳感）結合至AI中，可以有效改變人們工作、生活和娛樂的形式。因為同傳統計算機的01編碼不同，量子編碼的三維復數方式將徹底改變開發環境，但并不影響物聯網的定義，反倒加速了物聯網的覆蓋。
最重要的是，量子估算出現在物聯網領域，即可讓所有電子設備均能在互聯網上完成輪詢。
去年年初，量子化學已應用在煤氣表上。獲悉，國外首批“量子安全智能煤氣表”已經在南京開始試點，舉辦基于量子安全技術的NB-IoT物聯網煤氣表的研制和示范應用。目前初定的目標是改建換表20萬塊，新增物聯網表8萬塊。其中通訊技術借助量子秘鑰加密，可實現保密安全通訊，保障煤氣用戶的數據信息安全。
量子煤氣表
同時，無錫已開通量子城域網。該項目是目前國外規模最大、用戶最多、應用最全的量子保密通訊城域網；該網路含8個核心節點和159個接入節點，量子秘鑰分發網路光纖全長1147公里，可為市、區兩級黨政機關提供量子安全接入服務和數據傳輸加密服務，提高電子政務安全防護水平。
除了這般，在通訊領域，明年二月中國網通發布了業內首款基于量子信息技術的VoLTE加密通話產品――天翼量子高清密話。同時發布了業內首款搭載量子安全通話產品的手機天翼1號2022，該產品采用國產訂制手機、量子安全SIM卡和國密算法“三重保護”，為用戶提供“管-端-芯”一體化安全防護，帶來保密通訊創新應用。
除此之外，作為新型安全加密工具，后量子密碼和量子秘鑰已遭到軍事物聯網重點關注。后量子密碼不能被量子計算機攻陷，目前日本已在布局。而量子秘鑰分發則在歐共體受眾更多，其容許在物理上證明安全性的情況下進行安全的加密秘鑰交換。
在物聯網行業，大部份技術都最先作用于軍事（例如通訊類的藍牙和UWB等），于是也能據此判定未來消費端的趨勢。在未來，量子物聯網也將成為某個時代的主曲調。
結語
回到文章開頭因果論與隨機性的問題上，結合化學學家們的爭辯不難發覺，數學問題已經弄成了哲學問題，也因而得不到完美的答案。
但通過推論可以確定，我們已難以再用現實世界的標準去看待量子世界。愛因斯坦想通過因果關系理順量子化學的邏輯，結果量子并不自帶屬性，難以被定義因果；玻爾想通過承認隨機性來理解量子化學，結果量子卻不表現出隨機，只是隨觀測方式而變化。
隨著本次諾貝爾獎施行，一方面記錄了化學學家們的貢獻，更是為量子世界打開了新的房門，不難得知，之后還將出現更多刷新我們的世界觀的理論出現。
另一方面，隨著量子漸漸被理解和開發，人們也將更多地接觸并運用它，只是在未來，仍有甚多未知和挑戰在等待著我們。