歷史性時刻！諾貝爾獎首次頒給量子信息科學

光子盒研究院出品

10月4日，瑞典皇家科學院公佈2022年諾貝爾物理學獎得主：Alain Aspect、John Clauser和Anton Zeilinger[1]，以表彰他們在“用於糾纏光子的實驗，確立對貝爾不等式的違反和開創性的量子信息科學”[2]的卓越成就。其中，Zeilinger是中國科學院院士潘建偉的博士導師。這也是諾貝爾獎首次頒發給量子信息科學。

三位獲獎者分別利用糾纏的量子態進行了突破性的實驗，其中兩個粒子即使被分開也表現得像一個整體。他們的成果爲基於量子信息的新技術掃清了道路。

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量子信息科學的基礎：糾纏態

量子信息科學的研究包括量子計算機、量子網絡和安全的量子加密通信。

這一發展的一個關鍵因素是量子力學如何允許兩個、或多個粒子以糾纏狀態存在：發生在糾纏對中的一個粒子上的事情決定了發生在另一個粒子上的事情，即使它們相距甚遠。

當沒有人觀看時，顏色是否存在？量子力學的糾纏對可以比作一臺向相反方向拋出相反顏色的球的機器。當Bob抓到一個球，看到它是黑色的，他立即知道Alice抓到了一個白色的。在一個使用隱藏變量的理論中，球一直包含着關於顯示什麼顏色的隱藏信息。然而，量子力學說，這些球是灰色的，直到有人看着它們時，其中一個隨機變成白色，另一個變成黑色。貝爾不等式表明，有一些實驗可以區分這些情況。這樣的實驗已經證明了量子力學的描述是正確的。

長期以來，問題是這種相關性是否是因爲糾纏對中的粒子含有隱藏的變量，即告訴它們在實驗中應該給出何種結果的指令。在20世紀60年代，John Stewart Bell提出了以他名字命名的數學不等式。這說明，如果存在隱藏變量，大量測量結果之間的相關性將永遠不會超過某個值。然而，量子力學預言，某種類型的實驗將違反貝爾不等式，從而導致比其他方式更強的相關性。

John Clauser發展了John Bell的想法，並進行了一個實際的實驗。當他測量時，他們通過明確違反貝爾不等式來支持量子力學。這意味着量子力學不能被一個使用隱藏變量的理論所取代。

用貝爾不等式進行實驗

在John Clauser的實驗之後，仍然存在一些漏洞。Alain Aspect發展了這個設置，用它來彌補一個重要的漏洞。他能夠在糾纏對離開它的源後切換測量設置，因此它們被髮射時存在的設置不會影響結果。

兩對糾纏的粒子從不同的源發射出來。每對粒子中的一個粒子以一種特殊的方式被帶到一起，使它們糾纏在一起。另外兩個粒子（圖中的1和4）也被纏住了。通過這種方式，兩個從未接觸過的粒子可以成爲糾纏的對象。

利用精煉的工具和一系列長期的實驗，Anton Zeilinger開始使用糾纏的量子態。除其他外，他的研究小組（潘建偉爲成員之一）已經證明了一種叫做“量子隱形傳態”的現象，這使得量子態從一個粒子移動到一個粒子的距離成爲可能。

“越來越明顯的是，一種新的量子技術正在出現。”諾貝爾物理學委員會主席Anders Irbäck說：“我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作具有重要意義，甚至超越了有關量子力學解釋的基本問題。”

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三位量子信息科學先驅

此次獲獎的三位學者分別是：Alain Aspect、John F. Clauser和Anton Zeilinger，他們將平分1000萬瑞典克朗獎金。2010年，他們還共同獲得了以色列沃爾夫物理學獎[4]。

瑞典皇家科學院這樣評價三位科學家：“今年的兩位獲獎者John F. Clauser和Alain Aspect開創了一個新時代的工作而受到表彰，他們讓物理學界看到了糾纏的重要性，併爲在更加複雜和令人難以置信的情況下創造、處理和測量貝爾對提供了技術。第三位獲獎者Anton Zeilinger的實驗工作因其對糾纏和貝爾對的創新使用而脫穎而出，無論是在好奇心驅動的基礎研究還是在量子密碼學等應用方面。”

Alain Aspect是一位法國物理學家，因其在量子糾纏方面的實驗工作而聞名。1947年出生於法國阿讓，1983年在法國奧賽巴黎南部大學獲得博士學位；現在是法國科學院和法國技術學院的成員，也是巴黎綜合理工學院的教授。在1980年代初期，在完成他的博士論文時，Aspect進行了貝爾測試實驗；在完成了貝爾不等式的研究之後，Aspect轉向研究中性原子的激光冷卻，並主要參與了玻色-愛因斯坦凝聚相關實驗。

John F. Clauser於1942年出生於美國加利福尼亞州帕薩迪納，1969年獲得美國紐約哥倫比亞大學博士學位。Clauser以對量子力學基礎的貢獻而聞名，特別是Clauser–Horne–Shimony–Holt不等式（CHSH不等式）。1969年至1996年他主要在勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加州大學伯克利分校工作；1972年，他與Stuart Freedman合作，對CHSH- Bell定理預測進行了第一次實驗檢驗：這是違反貝爾不等式的第一次實驗觀察；1974年，他與Michael Horne合作，首次證明貝爾定理的推廣爲所有局部現實自然理論（也稱爲客觀局部理論）提供了嚴格的約束；同年，他首次觀察到光的亞泊松統計，從而首次證明了光子具有明確的類粒子特徵。

Anton Zeilinger是奧地利量子物理學家，目前，Zeilinger是維也納大學物理學教授和奧地利科學院量子光學與量子信息IQOQI研究所高級科學家，研究涉及量子糾纏的基本方面和應用。Zeilinger曾獲得沃爾夫物理學獎（2010年）、IOP首屆艾薩克·牛頓獎章（2007年）和費薩爾國王國際獎（2005年），他也是七個科學院的院士。

Zeilinger從事量子力學的基礎研究。他與Daniel Greenberger和Michael Horne一起，發現了三粒子和四粒子狀態的新的反直覺特徵：他和他的團隊是第一個在實驗中實現這些的人，這開啓了多粒子干涉和多粒子量子關聯的領域。利用此次開發的方法，他首次實現了獨立量子比特的量子傳輸，隨後實現了糾纏互換：糾纏狀態被傳送。

這項工作之後是對貝爾不等式的大量測試，包括宇宙貝爾測試。其他的基本實驗包括Leggett的非局域現實理論，以及對具有糾纏態的非局域薛定諤的實驗。

其中許多結果在量子信息技術的發展中變得很有意義，他也在進行了開創性的實驗。他的量子密集編碼實驗是第一個使用糾纏來證明一個原始的，在經典物理學中不可能的。他還實現了第一個基於糾纏的量子密碼實驗，後來又實現了距離越來越遠的量子通信，並且，實現了高維狀態，信息容量越來越大。可能的應用還包括單向量子計算和盲量子計算。

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

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