10月4日,匈牙利皇家科大學宣布,將2022年諾貝爾化學學獎授予美國化學學家阿蘭·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),以嘉獎她們在量子信息科學研究方面做出的貢獻。
去年的諾獎數學學獎“花落”量子熱學,可謂眾望所歸。正是由于這三位科學家的實驗驗證,證明了貝爾不方程在量子世界中并不創立,才開創了量子信息這一全新的研究領域,而且促使明天的量子計算機、量子通訊等成為一個有著巨大潛力的研究和產業領域。
為學界津津樂道的是,明年的新晉得主塞林格,是中國科大學外籍教授,同時也是潘建偉教授的博士導師。
她們促使量子信息技術的發展成為可能
“這三位科學家驗證了量子糾纏這一基礎理論,在驗證的過程中也同時促進了以量子估算、量子通訊等為代表的量子信息技術。”上海交通學院院長金賢敏從事光量子芯片技術研究,他在博士期間就在潘建偉院士的指導下,負責在長城附近完成了當時最遠距離的量子隱型傳態實驗,驗證了基于衛星的全球化量子通訊的可行性。
“可以說,由于她們的成就,量子計算機、量子通訊、量子精密檢測、量子成像等量子信息技術,有望成為具有重大改革性的新一代信息技術,早已成為很大的研究領域。”金賢敏解釋稱,量子信息技術發展的關鍵是對量子態的精確的操控,而量子糾纏的驗證正是有效促進了人類對兩體以上量子態的操控能力。根據量子熱學,容許兩個或多個粒子以糾纏態存在。糾纏粒子對中的兩個粒子在相距很遠的情況下,一個粒子的狀態決定了,這么另一個粒子的狀態也立刻決定。量子糾纏概念最早由愛因斯坦提出,但量子糾纏是否存在,以及到底是在局域還是廣域有效,是化學世界存在了百年的爭辯。
阿斯佩、克勞澤和賽林格各自使用“兩個或兩個以上粒子雖然在分離時也表現得像一個單元”的糾纏量子態,進行了開創性實驗,驗證貝爾不方程在量子世界不創立,證明了量子糾纏的假想是存在的。
同濟學院化學學系院長李曉鵬告訴記者,這三位科學家解決了量子信息科學核心的基礎問題,其中的貝爾不方程的科學意義就是從根本上證明了量子熱學是正確的。在歷史上,量子熱學是否是這個微觀化學世界惟一的描述方式,雖然是存在爭議的。而她們三位驗證的貝爾不方程就是確定了量子熱學的正確性。
“量子熱學是整個科學的奠基,數學學、化學、半導體、生物學、材料學等學科的底層理論都早已是量子熱學,三位獲得者,論證了量子糾纏的存在的,驗證了百年的爭辯,非局域是正確的。她們的實驗結果為基于量子信息的新技術奠定了基礎。”金賢敏說,也正是由于要證明這個基礎理論,要操縱量子態,要發展單量子態、多量子態等技術,實際上促進了以量子估算為代表的量子信息技術,量子估算促使算力指數級降低,有望在后摩爾時代繼續提高人類算力。
中國的科研成果出現在諾獎的介紹中
這次諾獎委員會對于數學學諾獎中,專門談到了中國的潘建偉團隊。而據數學學界多位接受訪談的學者稱,中國的量子科學技術應當是為數不多的可以并跑,甚至在個別方面可以領跑的科學研究領域。
據諾獎委員會介紹,量子技術的一個重要目標是能否在特別大的范圍內分配糾纏距離,便于傳遞量子信息。最簡單的方式是使用光學,但問題是光會衰減。在精典通訊網路中,可以通過光纖鏈路放大器解決,然而在量子態,一個解決方案是借助衛星通過太空發送訊號以防止損失。人們可以在很遠的距離上構建量子糾纏。而中國的潘建偉小組在2016年發射第一顆量子通訊衛星墨子號時就使用了這一技術,但是其后與塞林格小組合作,使用同一顆衛星在中國和俄羅斯之間實現了量子糾纏。
在北京院校,量子科學的研究也有著各自的特性。例如更聚焦材料、計算、芯片等相關技術。
“也正是由于她們驗證了量子糾纏潘建偉 量子通訊,才表明大規模的量子比特估算系統趕超精典估算力的可能性。”李曉鵬主要從事量子算法研究和量子編碼方案研究。他說,量子計算機和精典計算機一樣,在完成估算任務的時侯同樣須要算法。一個可編程的量子元件就是一個量子計算機的雛型,怎樣用可編程的量子元件去解決一些科學問題或應用問題,都須要算法的推動。
不久前的《量子信息和量子技術藍皮書(南京宣言)》就預測潘建偉 量子通訊,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。
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。