2022年諾貝爾化學學獎明天出爐，授予英國科學家阿蘭·阿斯佩（Alain）、美國科學家約翰·克勞瑟（JohnF.）和德國科學家安東·塞林格（Anton），以嘉獎她們為量子糾纏實驗、證明違背貝爾不方程和開創性的量子信息科學所做出的貢獻。
值得一提的是，塞林格是中國科大學教授潘建偉的導師。潘建偉率領團隊所做的一系列工作，發展了塞林格開創的多體量子糾纏研究方向。潘建偉的中學生、上海交通學院院長金賢敏表示，三位諾獎得主開啟了第二次量子科技革命，這一革命已接近產業化階段，將與人工智能等新一代信息技術交織在一起，產生顛覆性創新成果。
EPR實驗批駁愛因斯坦
去年諾貝爾化學學獎“花落”量子科技。“這個科技領域的基礎是量子熱學，它是一種有助于我們理解世間萬物的理論。”金賢敏說。所謂量子，是一個數學量不可分割的最小單位。某個數學量假如不能連續變化，只能取一些分立的值，它就是量子化的。好比走走道，我們只能登上一個臺階，而不能登上半個。科學家發覺，宏觀世界里的化學量雖然都能連續變化，但在微觀世界，許多數學量是量子化的。
左起：阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞瑟、安東·塞林格
量子熱學誕生后，愛因斯坦等化學學家提出了指責。1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出一個名為“EPR”（兩人姓名的首字母）的思想實驗：制備A、B兩個粒子的“圓”態，使它們在這一狀態中的某個性質（如電子的載流子角動量、光子的偏振光）相乘等于零，而單個粒子的這個性質不確定；再將它們在空間上分開得很遠（例如幾光年）；隨即檢測粒子A的這個性質。當測得A是“上”，那么檢測者立即就曉得B的性質是“下”。
在愛因斯坦看來，EPR思想實驗是不可能實現的，一個粒子的性質發生變化，另一個與它處于糾纏態的粒子怎樣可能頓時“感應”到它的狀態，因而發生變化？他把量子糾纏態稱為“幽靈般的超距作用”。為了破解這個數學學界的“公案”，美國化學學家貝爾提出了貝爾不方程和貝爾定律，使EPR佯謬成為一個可以用實驗檢驗的問題。
上世紀80年代，阿斯佩借助已成熟的技術條件做了EPR實驗。結果發覺：處于量子糾纏態的兩個粒子竟然真的具有超時空關聯！它們無論相隔多遠，一個粒子的量子態確定時，另一個粒子的量子態也頓時確定。阿斯佩的這項開創性工作，除了批駁了愛因斯坦，也啟動了第二次量子科技革命。
科學家能操縱單量子態
20世紀40年代，第一次量子科技革命爆發潘建偉 量子通訊，催生了原子彈、半導體晶體管、激光器等重要成果。上世紀末以來，第二次量子科技革命在信息技術領域盛行，催生了量子通訊、量子檢測、量子估算等創新成果。非常是量子估算，有望顛覆人類目前使用的電子計算機，在運算效率中將精典超級計算機甩在身旁。
“第一次量子科技革命，實現了在系綜級別操縱量子。而第二次革命，讓人類高精度、大規模、遠距離操縱單量子態成為可能。”金賢敏告訴記者，在這一科技突破過程中，他的師公塞林格做出了重要的理論和實驗貢獻——將阿斯佩實現的兩個粒子糾纏，提高為3個及以上粒子的多體糾纏。
另一位得獎者克勞瑟也對量子糾纏作出了重要貢獻。半個世紀之前，克勞瑟就與合作者在世界上第一次觀察到量子糾纏，這也是第一次對違背貝爾不方程的實驗觀察，確定貝爾不方程在量子世界中并不創立。隨后，他又進行了世界上第二次對貝爾定律預測的實驗檢驗。
“所謂量子糾纏現象，就是兩個共同來源的微觀粒子，無論它們分開多遠，一旦其中一個粒子發生變化，會立刻影響到另一個粒子。似乎一對雙胞兒，彼此存在‘心靈感應’。”李政道研究所量子基礎科學研究部的李政道學者鐘瑞丹覺得，這些糾纏現象，別說對于老百姓，對于科研工作者也是很神奇的。
她給中學生打了一個比方：月球上有一對夫婦，父親去太空出席星球大戰，不幸戰死。這么在月球上，他的兒子在父親戰死的剎那間就成為一個寡婦，也就是說二人的狀態同時發生了變化。鐘瑞丹說：“我們只須要有辦法偵測月球上丈夫的狀態，究竟是在婚還是亡故潘建偉 量子通訊，才能判定遙遠的星球上發生了如何的戰事。父親與母親之間某種糾纏關系就類似于量子糾纏。”
潘建偉教授（右）和中學生陸朝陽在實驗室。
量子科學應用價值巨大
在三位諾獎得主理論和實驗貢獻的支撐下，量子信息科學的應用價值愈發凸顯。
借助量子疊加態等科學原理，人們可以進行量子保密通訊。潘建偉教授解釋，精典通訊的訊號只有0和1，發生監聽時，這兩種訊號都不會被擾動。量子通訊與之不同，不但有訊號0和1，還有0+1、0-1等量子疊加態。依照量子熱學的不確定性和不可克隆原理，量子訊號一旦被監聽，量子疊加態才會遭到擾動，有可能“塌縮”成另一種量子態。這樣一來，通訊雙方能夠立刻察覺。
2016年8月，我國首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射成功，實現了星地之間1000公里級量子糾纏、密鑰分發及隱型傳態。“墨子號”還實現了中國和俄羅斯之間歷時7600公里的洲際量子秘鑰分發，并借助共享秘鑰完成了加密數據傳輸和視頻通訊。這項成果為未來建立全球量子通訊網路奠定了基礎。
科研人員在量子科學實驗衛星總控中心工作。新華社發
與量子通訊相比，量子估算是一個更熱門的前沿科技領域。按照量子疊加態原理，一個粒子可以既處于“0”又處于“1”的狀態，兩個處于疊加態的粒子發生量子糾纏后，才會有4種狀態（2的2次方）。假如100個粒子發生量子糾纏，則會出現2的100次方種狀態。這么海量的狀態，可以讓量子計算機擁有強悍的并行估算能力。
《量子信息和量子技術藍皮書（南京宣言）》預測，量子估算研制分為3個階段：第一階段是實現量子優越性，即針對特定問題的估算能力趕超精典超級計算機；第二階段是實現具有應用價值的專用量子模擬系統；第三階段是實現可編程的通用量子計算機，這須要全球科技界的常年努力。
預計未來10—20年內，一批專用量子模擬系統將研制成功，用于催化物理反應模擬、高溫超導材料制備等科研工作。它們的運算效率有望比精典計算機高得多，因而急劇提高那些領域的科研效率。
