2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為何頒給了這三位？
“今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給這三個(gè)人，確實(shí)毫不意外�！�10月4日下午，中科院物理所原研究員、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心原首席科學(xué)家、上海交通大學(xué)李政道研究所講席教授丁洪在接受新京報(bào)記者采訪時(shí)表示，這三位科學(xué)家獲獎(jiǎng)也屬于眾望所歸。
北京時(shí)間10月4日下午，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所作出的貢獻(xiàn)。他們將平均分享1000萬瑞典克朗（約合人民幣647萬元）的獎(jiǎng)金。
丁洪表示，這三位科學(xué)家的研究?jī)r(jià)值主要有兩方面，一是證明了量子具有糾纏性，也就是證明量子力學(xué)是正確的，這也就證明了愛因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤；二是他們的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，為今后量子信息技術(shù)尤其是量子通信的發(fā)展鋪平了道路。
獲獎(jiǎng)?wù)呤钦l？
阿斯佩、克勞澤、蔡林格三人獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)在許多人的意料之內(nèi)。主要是因?yàn)椋?010年就曾同獲沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們?cè)诹孔蛹m纏領(lǐng)域的成就，為量子通信和量子計(jì)算等量子信息技術(shù)建立了基礎(chǔ)。
12年之后，三位科學(xué)家因?yàn)槠湓诹孔有畔⒖茖W(xué)技術(shù)方面的貢獻(xiàn)同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)在10月4日的聲明中表示，阿斯佩、克勞澤和蔡林格使用糾纏量子態(tài)進(jìn)行了開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了研究和控制處于糾纏狀態(tài)的粒子的潛力。這一試驗(yàn)結(jié)果為量子信息相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展掃清了障礙。
現(xiàn)年75歲的阿蘭·阿斯佩是法國(guó)物理學(xué)家、巴黎薩克萊大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院教授、法國(guó)科學(xué)院院士，同時(shí)也是香港城市大學(xué)香港高等研究院高級(jí)研究員。
據(jù)香港城市大學(xué)官網(wǎng)介紹，阿斯佩以其揭示量子力學(xué)最有趣特性的實(shí)驗(yàn)而聞名。1982年，他對(duì)糾纏光子的貝爾不等式測(cè)試推動(dòng)解決了愛因斯坦（Albert Einstein）和玻爾（Niels Bohr）之間關(guān)于量子力學(xué)的爭(zhēng)論。
約翰·克勞澤1942年12月出生于美國(guó)加利福尼亞州，是美國(guó)知名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家。
據(jù)他的官網(wǎng)介紹，克勞澤最出名的是他對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)的貢獻(xiàn)，尤其是他提出的克勞澤-霍恩-西蒙尼-霍爾特不等式（CHSH）、第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)證明非局部量子糾纏的真實(shí)性，以及塑造了局部現(xiàn)實(shí)主義理論。
安東·蔡林格現(xiàn)年77歲，是奧地利量子物理學(xué)家、維也納大學(xué)物理學(xué)教授、奧地利科學(xué)院量子光學(xué)與量子信息研究所高級(jí)科學(xué)家。
據(jù)奧地利科學(xué)院官網(wǎng)介紹，蔡林格因其對(duì)量子物理學(xué)基礎(chǔ)在概念和實(shí)驗(yàn)方面開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)聞名，尤其是他在量子糾纏領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)和理論工作廣受認(rèn)可。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年10月4日，瑞典斯德哥爾摩，瑞典皇家科學(xué)院公布諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。圖/IC photo
證明愛因斯坦錯(cuò)了？
量子力學(xué)作為一個(gè)新興的理論在上個(gè)世紀(jì)與其他理論之間有著長(zhǎng)期的“交鋒”，偉大的物理學(xué)家愛因斯坦也曾一度質(zhì)疑這一理論的合理性。
據(jù)北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授尹璋琦介紹，1935年，愛因斯坦、波多斯基和羅森三人提出了一個(gè)佯謬，指出要么量子理論是不完備的，要么量子力學(xué)會(huì)導(dǎo)致超光速的作用，與局域性相違背。這被稱作EPR佯謬，因?yàn)槿诵彰氖鬃帜阜謩e是E、P、R三個(gè)字母。
根據(jù)量子理論，微觀粒子可以處于量子疊加態(tài)。比如說電子自旋有向上和向下兩種狀態(tài)，這兩種自旋態(tài)可以處于任意的疊加態(tài)。如果有兩個(gè)電子，兩個(gè)電子的自旋態(tài)有四種可能：上上、下下、上下和下上。把它們制備到相互糾纏的狀態(tài)，自旋同時(shí)向上和同時(shí)向下的疊加態(tài)。當(dāng)測(cè)量出一個(gè)電子的自旋是向上（向下）的，那么另外一個(gè)電子的自旋態(tài)就塌縮到向上（向下）的狀態(tài)，不論電子之間的距離到底有多遠(yuǎn)。這個(gè)塌縮的是瞬時(shí)的，傳遞速度超越了光速。最新的實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)超距相互作用傳遞速度至少是光速的一萬倍。
“就好比一個(gè)電子在地球上，一個(gè)在月球上，盡管兩者距離非常遠(yuǎn)，但如果對(duì)地球電子的自旋進(jìn)行測(cè)量是向上的，則可以知道月亮上的電子自旋也是朝上的�！鼻迦A大學(xué)物理系教授、北京量子信息科學(xué)研究院副院長(zhǎng)龍桂魯告訴新京報(bào)記者，在愛因斯坦看來，這種超距相互作用是不可思議的�！艾F(xiàn)在看來，糾纏是量子力學(xué)體系特有的狀態(tài)，在經(jīng)典物理中是沒有這種狀態(tài)的�！�
據(jù)尹璋琦介紹，作為愛因斯坦思想的繼承人，1952年玻姆在標(biāo)準(zhǔn)量子理論中加入了經(jīng)典的“隱變量”，把它變?yōu)榱艘粋�(gè)完全決定性的理論。
所以，很長(zhǎng)一段時(shí)間，問題的關(guān)鍵在于搞清楚這種相關(guān)性是否是因?yàn)榧m纏對(duì)中的粒子包含隱藏變量，從而“指示”它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)。1960年代，約翰·斯圖爾特·貝爾提出了貝爾不等式，指的是如果存在隱藏變量，則大量的測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性永遠(yuǎn)不大于2。但量子力學(xué)預(yù)測(cè)某種類型的實(shí)驗(yàn)將違反貝爾不等式，最大值可以到2倍的根號(hào)2（約等于2.848）。一旦實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯(cuò)誤的。貝爾不等式的誕生，宣告了量子理論的局域性爭(zhēng)議，從帶哲學(xué)色彩純粹思辨變?yōu)閷?shí)驗(yàn)可證偽的科學(xué)理論。
此后，本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)三人分別進(jìn)行了驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。
1972年，約翰·弗朗西斯·克勞澤等人完成第一次貝爾定理實(shí)驗(yàn)，因存在定域性漏洞，即糾纏的粒子之間距離太小，不足以說明糾纏的非局域性，結(jié)果不具有說服力。1982年，貝爾不等式得到阿蘭·阿斯佩等人驗(yàn)證，量子理論勝出。但這些實(shí)驗(yàn)中仍然存在漏洞。1998年，安東·蔡林格等人在奧地利因斯布魯克大學(xué)完成貝爾定理實(shí)驗(yàn)，徹底排除定域性漏洞。但是實(shí)驗(yàn)用的單光子探測(cè)器效率不夠高，無法排除測(cè)量帶來的漏洞。
科學(xué)家一直在為完成無漏洞貝爾不等式違背的實(shí)驗(yàn)而努力。
2015年，荷蘭代爾夫特大學(xué)物理學(xué)家羅納德·漢森(Ronald Hanson)研究組報(bào)道了他們?cè)诮饎偸南到y(tǒng)中完成的驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。要避免局域性漏洞，只需把兩個(gè)金剛石色心放置在相距1.3公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室。利用糾纏光子對(duì)和糾纏交換技術(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏，同時(shí)解決了局域性漏洞與測(cè)量漏洞。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也宣告了局域隱變量理論的死刑，量子非局域性是真實(shí)的。緊接著，美國(guó)Sae Woo Nam等人、奧地利的安東·蔡林格研究組也分別完成了無漏洞貝爾不等式違背的實(shí)驗(yàn)。
“簡(jiǎn)單來說，今年諾獎(jiǎng)三位科學(xué)家證明了量子具有糾纏性，某種程度上來說也就是證明了愛因斯坦的一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樗欠磳?duì)這一點(diǎn)的�！倍『楸硎荆皫孜豢茖W(xué)家上世紀(jì)七八十年代就完成了基本的實(shí)驗(yàn)，但到今年才基本全部完成驗(yàn)證�！�
這項(xiàng)研究的價(jià)值在哪兒？
尹璋琦稱，無漏洞的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，為未來量子密鑰分發(fā)技術(shù)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。清華大學(xué)物理系教授、北京量子信息科學(xué)研究院副院長(zhǎng)龍桂魯稱，此次獲得諾獎(jiǎng)的三人于2010年獲得沃爾夫獎(jiǎng)，此前也是諾獎(jiǎng)的熱門人選。
“這三位科學(xué)家對(duì)量子糾纏的研究，最大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值就在于推動(dòng)現(xiàn)代量子信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是量子通信和量子計(jì)算。”丁洪對(duì)新京報(bào)記者解釋道。
諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)介紹稱，當(dāng)前，量子力學(xué)逐漸開始得到應(yīng)用，關(guān)于量子計(jì)算機(jī)、量子網(wǎng)絡(luò)、量子加密通信的研究越來越得到重視。
推進(jìn)量子信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵影響因素就是，量子力學(xué)如何允許兩個(gè)或多個(gè)粒子以糾纏狀態(tài)存在——因?yàn)榧m纏對(duì)中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)決定另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即使它們相距非常遙遠(yuǎn)。
他進(jìn)一步指出，從具體應(yīng)用來看，這三位科學(xué)家通過開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)證明，量子糾纏具有非定域性，也就是說量子糾纏可以在很遠(yuǎn)的距離進(jìn)行超光速的傳輸，利用這一點(diǎn)，人們可以開展量子通信和量子密碼的研究。
諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席安德斯·伊爾貝克表示，“越來越清楚的是，一種新的量子技術(shù)正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎(jiǎng)?wù)邔?duì)糾纏態(tài)方面的研究非常重要，甚至超出了關(guān)于量子力學(xué)解釋的基本問題�！�
目前，研究人員正在推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，以利用單個(gè)粒子系統(tǒng)的特殊特性來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)、改進(jìn)測(cè)量、建立量子網(wǎng)絡(luò)并發(fā)展安全的量子加密通信。
圖片來自諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)。
鏈接
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)小知識(shí)
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是阿爾弗雷德·諾貝爾在其遺囑中提到的第一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。從1901年至2021年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已頒發(fā)過115次，其中47次授予單一獲獎(jiǎng)?wù)撸?2次由兩位獲獎(jiǎng)?wù)叻窒恚?6次由三位獲獎(jiǎng)?wù)叻窒怼?/span>
截至2021年，共有219位諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。其中，美國(guó)科學(xué)家約翰·巴丁是唯一曾在1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)�，這意味著共有218人曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
最年輕的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主是勞倫斯·布拉格，他1915年和父親亨利·布拉格共同獲獎(jiǎng)時(shí)年僅25歲。最年長(zhǎng)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主是亞瑟·阿斯金，他2018年獲獎(jiǎng)時(shí)已96歲。
在諾貝爾六大獎(jiǎng)項(xiàng)中，物理學(xué)獎(jiǎng)是女性獲獎(jiǎng)人次第二少的獎(jiǎng)項(xiàng)，只多于僅有2名女性獲獎(jiǎng)的諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)。截至2021年，共有4名女性曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，分別是瑪麗·居里（1903年獲獎(jiǎng)，1911年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）、瑪麗亞·梅耶（1963年獲獎(jiǎng)）、唐娜·斯特里克蘭（2018年獲獎(jiǎng)）、安德烈婭·蓋茲（2020年獲獎(jiǎng)）。
據(jù)人民網(wǎng)報(bào)道，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)主要集中四個(gè)領(lǐng)域：粒子物理、天體物理、凝聚態(tài)物理、原子分子及光物理。但2021年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)首次頒給了氣候?qū)W家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），以表彰其在“地球氣候建模、量化氣候變化以及對(duì)全球變暖的可靠預(yù)測(cè)”方面的貢獻(xiàn)；喬治·帕里西（Giorgio Parisi）因“在從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了無序和漲落的相互作用”同獲當(dāng)年獎(jiǎng)項(xiàng)。
新京報(bào)記者 謝蓮 張璐
編輯 張樹婧 校對(duì) 柳寶慶 付春愔
| 
