2022年諾獎(jiǎng)證明了愛因斯坦存在的部分錯(cuò)誤

2022-10-05 14:19:00

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供稿：網(wǎng)友

北京時(shí)間10月4日17時(shí)45分，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)公布了2022年物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞澤和安東·塞林格，以表彰他們?cè)?ldquo;糾纏光子實(shí)驗(yàn)、確立對(duì)貝爾不等式的違反和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)”方面的成就。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)指出，他們的工作“為量子技術(shù)的新時(shí)代奠定了基礎(chǔ)”。委員會(huì)成員伊娃·奧爾森說，量子信息科學(xué)在安全信息傳輸和量子計(jì)算等領(lǐng)域具有廣泛的影響，是一個(gè)“充滿活力且發(fā)展迅速”的領(lǐng)域。

證明愛因斯坦錯(cuò)誤

“他們?nèi)猾@獎(jiǎng)是實(shí)至名歸。”圖靈量子創(chuàng)始人、上海交大集成量子信息技術(shù)研究中心主任金賢敏對(duì)《中國新聞周刊》說。他解釋，阿斯佩等三人是量子信息領(lǐng)域公認(rèn)的開創(chuàng)者和先驅(qū)，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)束了愛因斯坦和舊量子論奠基人、丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾持續(xù)近百年的爭論。

20世紀(jì)20年代的量子力學(xué)革命就是在這場(chǎng)爭論中開啟。量子力學(xué)長期以來的核心理論難題是“遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)”問題，即為何兩個(gè)或多個(gè)粒子以所謂的糾纏態(tài)存在，更進(jìn)一步闡述，糾纏對(duì)中的一個(gè)粒子發(fā)生的事情，就決定了另一個(gè)粒子發(fā)生的事情——即便它們相距很遙遠(yuǎn)。比如，一個(gè)光子的偏振態(tài)是“向上”的，另一個(gè)光子的偏振態(tài)就必然是“向下”的，仿佛“心靈感應(yīng)”。對(duì)此，愛因斯坦認(rèn)為，糾纏對(duì)中的粒子包含了隱藏變量，即局部因果關(guān)系，因此量子力學(xué)形式是不完整的。顯然，愛因斯坦不相信上帝會(huì)擲骰子，玻爾則強(qiáng)烈反對(duì)這一結(jié)論。

1935年，愛因斯坦等更進(jìn)一步提出了著名的EPR佯謬，核心觀點(diǎn)是：量子力學(xué)沒有提供對(duì)現(xiàn)實(shí)完整描述。1964 年，在歐洲核子研究中心工作的英國物理學(xué)家約翰·貝爾提出了著名的貝爾不等式，這一不等式的核心在于，如果存在隱藏變量，則大量粒子測(cè)量結(jié)果間相關(guān)性永遠(yuǎn)不會(huì)超過某個(gè)值。如果能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果違反了貝爾不等式，就意味著量子力學(xué)不能用局域隱變量理論來解釋，即證明愛因斯坦的認(rèn)知是錯(cuò)誤的。

后來事實(shí)表明，阿斯佩、克勞澤和塞林格都通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了違反貝爾不等式的情況，因此，三人早在2010年就共同獲得了世界物理學(xué)界最高成就獎(jiǎng)之一的沃爾夫獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是“他們對(duì)量子物理學(xué)基本概念和實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)，特別是對(duì)貝爾不等式一系列日益復(fù)雜的測(cè)試或使用糾纏量子態(tài)對(duì)其擴(kuò)展。”

克勞澤是世界上第一個(gè)對(duì)貝爾不等式驗(yàn)證的科學(xué)家，他今年已經(jīng)80歲了。1972 年，正在加州大學(xué)伯克利分校任職的他就與博士生斯圖爾特完成了世界上首次對(duì)違反貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)觀察。在哥大讀書期間，克勞澤的量子力學(xué)課還曾連續(xù)兩次獲得C, 又被迫重修了兩次。

這類早期實(shí)驗(yàn)往往存在漏洞。1982年，還在讀博的阿斯佩改進(jìn)了克勞澤的實(shí)驗(yàn)，第一次真正意義上補(bǔ)上了漏洞，驗(yàn)證了貝爾不等式并不成立。阿斯佩1947年出生在法國，先后在法蘭西學(xué)院和巴黎高等師范學(xué)院等任職，后來成為了法國國家科學(xué)研究中心的杰出名譽(yù)科學(xué)家。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦對(duì)《中國新聞周刊》分析說，貝爾不等式是量子力學(xué)發(fā)展中一個(gè)非常重要的理論，這個(gè)理論之所以如此重要，是因?yàn)樗鼘?duì)“量子力學(xué)是否正確”這樣的重大問題做出了一個(gè)判斷。而在驗(yàn)證的所有實(shí)驗(yàn)中，阿斯佩實(shí)驗(yàn)又是其中最重要的一個(gè)，因?yàn)樵缙趯?shí)驗(yàn)漏洞太多，并不令人信服，但阿斯佩實(shí)驗(yàn)第一次“用光學(xué)的方法真正把道理講清楚”，被學(xué)界所公認(rèn)。實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)非常明確的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，沒有隱藏的變量，“幽靈肯定存在”。

“我1990年代到阿斯佩的實(shí)驗(yàn)室參觀時(shí)遇到了他，他是個(gè)做學(xué)問很認(rèn)真的人，他當(dāng)時(shí)自己說，他的實(shí)驗(yàn)仍有漏洞，但這并不影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。”郭光燦說。

實(shí)驗(yàn)的漏洞被完全“堵上”要等到2015年，這是塞林格的工作。在一系列實(shí)驗(yàn)中，他使用了距離源足夠遠(yuǎn)、快速可切換的偏振器，還使用大約 600 年前恒星發(fā)出的光來進(jìn)行測(cè)試，以盡可能減少“歷史性”中的隱藏變量。包括塞林格在內(nèi)的多個(gè)團(tuán)隊(duì)完成了“無漏洞”的貝爾不等式驗(yàn)證。

塞林格1945年出生于奧地利，1971 年在維也納大學(xué)獲得博士學(xué)位，1999年加入維也納大學(xué)任教，后來成為奧地利科學(xué)院院長。值得一提的是，國內(nèi)知名量子通信專家潘建偉1996年在奧地利攻讀博士學(xué)位時(shí)，就師從塞林格。現(xiàn)在，塞林格團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院合作密切，參與了中科院主導(dǎo)的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)北京--維也納兩地量子保密通信。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席安德斯·伊爾貝克在頒獎(jiǎng)時(shí)說，三位獲獎(jiǎng)?wù)吒髯允褂?ldquo;兩個(gè)粒子即使在分離時(shí)也表現(xiàn)得像一個(gè)單元”的糾纏量子態(tài)，進(jìn)行了開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了障礙。“對(duì)糾纏態(tài)的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學(xué)的基本問題”。

《星際迷航》中的“超時(shí)空傳輸”

這些開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)的重要意義，不僅重新確認(rèn)了量子力學(xué)糾纏態(tài)存在的基礎(chǔ)理論，而且開啟了第二次量子革命——量子通信技術(shù)誕生。

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的公布現(xiàn)場(chǎng)，潘建偉團(tuán)隊(duì)的“墨子號(hào)”也公開“亮相”，出現(xiàn)在介紹獲獎(jiǎng)?wù)叱晒陌咐故局小?016年8月16日，中國發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，于2017年1月18日正式開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建“墨子號(hào)”的基礎(chǔ)科學(xué)原理，就是塞林格團(tuán)隊(duì)1997 年首次完成的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。“這可能是頒獎(jiǎng)給塞林格的重要理由之一。”郭光燦解釋道。

什么是量子隱形傳態(tài)？

簡單來說，就是《星際迷航》中的超時(shí)空傳輸，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離“傳送”，量子隱形傳態(tài)就是利用糾纏態(tài)傳輸量子信息。但值得注意的是，在這個(gè)過程中，傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)糾纏粒子的狀態(tài)，比如自旋狀態(tài)，而非粒子本身，比如把粒子Ａ的未知量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子Ｂ，讓Ｂ粒子的狀態(tài)變成Ａ粒子最初的狀態(tài)。

金賢敏解釋說，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員想傳輸一個(gè)量子態(tài)時(shí)，先把這個(gè)初始量子態(tài)和量子糾纏對(duì)中其中一個(gè)粒子“碰一下”，“進(jìn)行一系列操作”，再把操作結(jié)果發(fā)到糾纏對(duì)的另外一個(gè)粒子處，對(duì)其進(jìn)行一定操縱和旋旋以后，“另外一個(gè)粒子就會(huì)和最初想傳輸?shù)牧孔討B(tài)一模一樣，也就是通過糾纏做一個(gè)橋梁，可以傳遞任意未知的量子態(tài)。”

1997年，塞林格首次在實(shí)驗(yàn)中成功傳送了一個(gè)光子的自旋，相關(guān)成果于當(dāng)年12月被發(fā)表在《自然》上，題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》。論文指出，量子隱形傳態(tài)是量子系統(tǒng)狀態(tài)在任意距離上的傳輸和重建，也是量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。幾年后，塞林格團(tuán)隊(duì)又成功將秘密信息編碼成糾纏光子串，使竊聽者無法有效攔截這些信息。

在《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》一文中，27歲的潘建偉擔(dān)綱第二作者，該文后來還入選了《自然》的“物理學(xué)百年21篇經(jīng)典論文”。“入選的這些論文中，前面20篇都拿到諾獎(jiǎng)了，這是第21篇，今年也獲得了諾獎(jiǎng)。”金賢敏說。金賢敏是潘建偉的學(xué)生，在博士求學(xué)期間，就在野外環(huán)境下開展了三年量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)。

郭光燦認(rèn)為，這項(xiàng)工作的重要意義，在于首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子的“操縱”，而這是量子通信的基礎(chǔ)性工作。諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)在頒獎(jiǎng)時(shí)也說：“能夠操縱和管理量子態(tài)及其所有屬性層，使我們能夠獲得有著意想不到潛力的工具。”

潘建偉10月4日接受《知識(shí)分子》采訪時(shí)對(duì)塞林格的工作進(jìn)行了總結(jié)：“他的工作直接推動(dòng)了量子信息領(lǐng)域的發(fā)展，相當(dāng)于起到了從量子基礎(chǔ)到量子信息領(lǐng)域的橋梁作用。”金賢敏指出，這種“量子態(tài)級(jí)別的高精度大規(guī)模操縱”，推動(dòng)了以量子計(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量和量子成像為代表的一系列新技術(shù)的崛起。

目前，量子通信是唯一被證明無條件安全的通訊方式；量子計(jì)算則有著遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的超快的并行計(jì)算能力。

現(xiàn)在，中國在量子通信技術(shù)上已經(jīng)處于全球前列。2009年，潘建偉團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)合作，在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳態(tài)，相當(dāng)于此前世界紀(jì)錄27倍。2015年，潘建偉團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，首次證明了一個(gè)粒子的所有性質(zhì)在原理上都是可以被傳輸?shù)模赐暾饬x上的量子隱形傳態(tài)。今年5月，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用“墨子號(hào)”首次實(shí)現(xiàn)了地球上相距1200公里兩個(gè)地面站之間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡(luò)又邁出了重要一步。

與此同時(shí)，全球各國都在搶占“量子賽道”。美國正在建造量子衛(wèi)星鏈路，特朗普政府2018年啟動(dòng)了美國量子行動(dòng)計(jì)劃，計(jì)劃在2019~2023年在量子研究方面投入12.75億美元。2018年10月，歐盟也宣布了《量子旗艦計(jì)劃》，計(jì)劃在未來十年間在量子傳感器、量子通信與量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域投入10億歐元。法國宣布了一項(xiàng)規(guī)模高達(dá)18億歐元的量子技術(shù)五年投資計(jì)劃。據(jù)悉，中國量子國家實(shí)驗(yàn)室投入規(guī)模預(yù)計(jì)在未來5~10年達(dá)到數(shù)百億元人民幣。下一步，中國量子通信技術(shù)發(fā)展將主要聚焦三個(gè)方向：量子通信安全性定量化、量子通信系統(tǒng)芯片化和小型化、完善量子網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的方式和協(xié)議的更新。

在量子信息技術(shù)中，多位業(yè)內(nèi)人士對(duì)《中國新聞周刊》指出，量子精密測(cè)量是最接近產(chǎn)業(yè)化與實(shí)用化的，通過量子態(tài)對(duì)外界進(jìn)行測(cè)量，在精度上突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限。潘建偉曾在接受《中國新聞周刊》采訪時(shí)也指出，量子精密測(cè)量的用途很廣，包括時(shí)間、長度、溫度等尺度，他預(yù)計(jì)接下來的5到15年間，各式各樣的應(yīng)用會(huì)陸續(xù)推出。

郭光燦表示，量子通信“最大的好處”是可以把量子節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)在一起，共同構(gòu)成一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，可以和量子計(jì)算融合在一起，這將是未來“有很大發(fā)展的一個(gè)方向”，但在當(dāng)下，我們?nèi)蕴幵趯?duì)節(jié)點(diǎn)的研究過程中，而在應(yīng)用層面，最有前景的則是量子計(jì)算機(jī)。潘建偉說，在五年內(nèi)，有信心能建造出“一些專用的量子模擬機(jī)來推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展”，而 10~15年后通用的量子計(jì)算會(huì)取得長足進(jìn)展。

這些都是在不遠(yuǎn)的未來即將發(fā)生的事情。而在更遠(yuǎn)的時(shí)間的盡頭，“生命、宇宙以及任何事情的終極答案”是什么？

塞林格最喜歡的書是《銀河系漫游指南》，這本書中有一臺(tái)強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，對(duì)于上述問題，在經(jīng)過長達(dá)750萬年運(yùn)算與驗(yàn)證之后，超級(jí)計(jì)算機(jī)吐出的最終答案是“42”。作為一位狂熱的水手，塞林格將他的船也命名為“42”。他說：“如果我們真正去深入了解為什么世界有量子力學(xué)，即42 的來源，我有一種感覺，我不相信量子力學(xué)是最終定論。”

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