历史性时刻！诺贝尔奖首次颁给量子信息科学

光子盒研究院出品

10月4日，瑞典皇家科学院公布2022年诺贝尔物理学奖得主：Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger[1]，以表彰他们在“用于纠缠光子的实验，确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”[2]的卓越成就。其中，Zeilinger是中国科学院院士潘建伟的博士导师。这也是诺贝尔奖首次颁发给量子信息科学。

三位获奖者分别利用纠缠的量子态进行了突破性的实验，其中两个粒子即使被分开也表现得像一个整体。他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路。

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量子信息科学的基础：纠缠态

量子信息科学的研究包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个、或多个粒子以纠缠状态存在：发生在纠缠对中的一个粒子上的事情决定了发生在另一个粒子上的事情，即使它们相距甚远。

当没有人观看时，颜色是否存在？量子力学的纠缠对可以比作一台向相反方向抛出相反颜色的球的机器。当Bob抓到一个球，看到它是黑色的，他立即知道Alice抓到了一个白色的。在一个使用隐藏变量的理论中，球一直包含着关于显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学说，这些球是灰色的，直到有人看着它们时，其中一个随机变成白色，另一个变成黑色。贝尔不等式表明，有一些实验可以区分这些情况。这样的实验已经证明了量子力学的描述是正确的。

长期以来，问题是这种相关性是否是因为纠缠对中的粒子含有隐藏的变量，即告诉它们在实验中应该给出何种结果的指令。在20世纪60年代，John Stewart Bell提出了以他名字命名的数学不等式。这说明，如果存在隐藏变量，大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而，量子力学预言，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式更强的相关性。

John Clauser发展了John Bell的想法，并进行了一个实际的实验。当他测量时，他们通过明确违反贝尔不等式来支持量子力学。这意味着量子力学不能被一个使用隐藏变量的理论所取代。

用贝尔不等式进行实验

在John Clauser的实验之后，仍然存在一些漏洞。Alain Aspect发展了这个设置，用它来弥补一个重要的漏洞。他能够在纠缠对离开它的源后切换测量设置，因此它们被发射时存在的设置不会影响结果。

两对纠缠的粒子从不同的源发射出来。每对粒子中的一个粒子以一种特殊的方式被带到一起，使它们纠缠在一起。另外两个粒子（图中的1和4）也被缠住了。通过这种方式，两个从未接触过的粒子可以成为纠缠的对象。

利用精炼的工具和一系列长期的实验，Anton Zeilinger开始使用纠缠的量子态。除其他外，他的研究小组（潘建伟为成员之一）已经证明了一种叫做“量子隐形传态”的现象，这使得量子态从一个粒子移动到一个粒子的距离成为可能。

“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。”诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbäck说：“我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作具有重要意义，甚至超越了有关量子力学解释的基本问题。”

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三位量子信息科学先驱

此次获奖的三位学者分别是：Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，他们将平分1000万瑞典克朗奖金。2010年，他们还共同获得了以色列沃尔夫物理学奖[4]。

瑞典皇家科学院这样评价三位科学家：“今年的两位获奖者John F. Clauser和Alain Aspect开创了一个新时代的工作而受到表彰，他们让物理学界看到了纠缠的重要性，并为在更加复杂和令人难以置信的情况下创造、处理和测量贝尔对提供了技术。第三位获奖者Anton Zeilinger的实验工作因其对纠缠和贝尔对的创新使用而脱颖而出，无论是在好奇心驱动的基础研究还是在量子密码学等应用方面。”

Alain Aspect是一位法国物理学家，因其在量子纠缠方面的实验工作而闻名。1947年出生于法国阿让，1983年在法国奥赛巴黎南部大学获得博士学位；现在是法国科学院和法国技术学院的成员，也是巴黎综合理工学院的教授。在1980年代初期，在完成他的博士论文时，Aspect进行了贝尔测试实验；在完成了贝尔不等式的研究之后，Aspect转向研究中性原子的激光冷却，并主要参与了玻色-爱因斯坦凝聚相关实验。

John F. Clauser于1942年出生于美国加利福尼亚州帕萨迪纳，1969年获得美国纽约哥伦比亚大学博士学位。Clauser以对量子力学基础的贡献而闻名，特别是Clauser–Horne–Shimony–Holt不等式（CHSH不等式）。1969年至1996年他主要在劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学伯克利分校工作；1972年，他与Stuart Freedman合作，对CHSH- Bell定理预测进行了第一次实验检验：这是违反贝尔不等式的第一次实验观察；1974年，他与Michael Horne合作，首次证明贝尔定理的推广为所有局部现实自然理论（也称为客观局部理论）提供了严格的约束；同年，他首次观察到光的亚泊松统计，从而首次证明了光子具有明确的类粒子特征。

Anton Zeilinger是奥地利量子物理学家，目前，Zeilinger是维也纳大学物理学教授和奥地利科学院量子光学与量子信息IQOQI研究所高级科学家，研究涉及量子纠缠的基本方面和应用。Zeilinger曾获得沃尔夫物理学奖（2010年）、IOP首届艾萨克·牛顿奖章（2007年）和费萨尔国王国际奖（2005年），他也是七个科学院的院士。

Zeilinger从事量子力学的基础研究。他与Daniel Greenberger和Michael Horne一起，发现了三粒子和四粒子状态的新的反直觉特征：他和他的团队是第一个在实验中实现这些的人，这开启了多粒子干涉和多粒子量子关联的领域。利用此次开发的方法，他首次实现了独立量子比特的量子传输，随后实现了纠缠互换：纠缠状态被传送。

这项工作之后是对贝尔不等式的大量测试，包括宇宙贝尔测试。其他的基本实验包括Leggett的非局域现实理论，以及对具有纠缠态的非局域薛定谔的实验。

其中许多结果在量子信息技术的发展中变得很有意义，他也在进行了开创性的实验。他的量子密集编码实验是第一个使用纠缠来证明一个原始的，在经典物理学中不可能的。他还实现了第一个基于纠缠的量子密码实验，后来又实现了距离越来越远的量子通信，并且，实现了高维状态，信息容量越来越大。可能的应用还包括单向量子计算和盲量子计算。

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/

[2]https://www.nobelprize.org/uploads/2022/10/advanced-physicsprize2022.pdf