作者:韩扬眉 张双虎 倪思洁 来源:中国科学报微信公号 发布时间:2022/10/4 22:43:04
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为啥今年这么多人都猜中了诺贝尔物理学奖?

 

文 | 《中国科学报》 记者 韩扬眉 张双虎 倪思洁

“众望所归,他们终于获得了诺贝尔奖!”

10月4日下午,瑞典皇家科学院决定将2022年的诺贝尔物理学奖授予法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger ,以表彰他们“用纠缠光子进行的实验,确定了贝尔不等式的不成立,并开创了量子信息科学”。

上世纪70年代开始,科学家们开始在实验上深入探索量子世界,三人前赴后继,历时30年,克服诸多困难,最终完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成为量子信息实验领域的开山之作。

如今,量子力学已拥有很广阔的研究领域,包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

“越来越明显的是,一种新的量子技术正在出现。我们可以看到,获奖者对纠缠态的研究非常重要,甚至超越了解释量子力学的基本问题。”诺贝尔物理学委员主席Anders Irbäck说。

为什么量子信息科学获奖成为“众望所归”?如何认识量子科学理论与实验的关系?量子科技何时能成为现实?《中国科学报》记者邀请4位专家进行解读。

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《中国科学报》:看到今年诺奖的评选结果后,你有什么感受?

中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根:众望所归,奥地利科学家Anton Zeilinger是中国科大潘建伟院士的导师,是中国科学院外籍院士。他与中国有着很好的合作关系,常来作报告。

清华大学物理系教授龙桂鲁:这对量子信息这么多年取得的成绩是一个肯定。事实上,三位科学家已经在2010年获得沃尔夫物理学奖,表彰他们在量子纠缠领域的成就。

中国科学院物理研究所特聘研究员沈洁:量子的研究和技术手段进步很快,但本质底层的基础进展可能并不是那么快,这也使得很多现象难以解释,比如量子纠缠等,最本质的原因其实还是未知,未来,从更根本的角度深入解释,还需要理论的贡献。

《中国科学报》:这个研究究竟在讲啥?

龙桂鲁:上世纪60年代,约翰·贝尔提出一个关于是否存在完备局域隐变量理论的数学不等式。该定理在定域性和实在性的双重假设下,对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制,提供了用实验验证在量子不确定性和爱因斯坦的定域实在性之间做出判决的机会。

简单说,两个存在纠缠态的粒子分开以后,如果量子力学是对的,这个不等式的值就大于2。他们三位最早验证了贝尔不等式的违反,但是由于存在探测器效率低、两个量子之间距离短的漏洞,贝尔不等式违背的验证仍有物理学家质疑。

2015年,荷兰Ronald Hanson、美国Sae-Woo Nam等人和奥地利Zeilinger等实现了无漏洞的不等式验证,证明了量子力学的正确性。

《中国科学报》:三位诺奖得主在这项研究中的关系是怎样的?他们分别做了哪些贡献?

龙桂鲁:法国科学家Alain Aspect做超冷原子和量子光学;奥地利科学家Anton Zeilinger原来在麻省理工学院当老师,最早做中子干涉研究,后来回到奥地利开始做光学,他是潘建伟院士的博士生导师。2002年,我到Anton Zeilinger教授团队访问了两个月。美国科学家John F.Clauser原先做理论,后来理论和实验都做。

上世纪60年代,约翰·贝尔提出了以他名字命名的数学不等式,即“贝尔不等式”,Alain Aspect开始了一系列的实验对其验证,这也是国际最早的实验验证之一,验证结果是违反贝尔不等式的。早期实验是有漏洞的,不足以证明量子力学是正确的。2015年三位科学家摆出了实验漏洞。实验验证了贝尔不等式违背。

《中国科学报》:此次诺奖颁给量子实验科学家,如何认识理论与实验的关系?

蔡荣根:实验和理论研究相辅相成。通常理论会走在实验的前面,人们会根据观测事实提出一些理论,做出一些预言,并通过实验去验证它。通常好的技术手段有利于验证理论成果,而通过验证的理论,反过来会指导和支持技术的发展。

事实上,我们现在生活中的信息技术,各种高新技术很多都建立在相对论、量子力学基础之上。现在技术的发展能操控物质的量子性质,控制原子,让它的运动速度降下来,把温度降下来,这就是理论和实验相辅相成的典型例子。

中国科学院高能物理研究所特聘研究员陈缮真:理论物理指导我们实验工作,我们实验结果反馈给理论物理学家,如果符合理论预期,则是好事,若不符合,其实是更大的好事,说明理论有进一步发展的潜力。

如今基础科学研究越来越细化,要取得突破性进展,不光是理论物理学家和实验物理学家的合作,还要跟工程师等不同领域的专家合作,这是全新的科研模式。

《中国科学报》:量子通信技术多少年能够成为现实?

龙桂鲁:量子通信包含了一个广义的概念,通过移动量子态完成的任务都可以叫做量子通信。而经典通信的定义是信息的可靠传输,照此,我们的量子通信还算不上通讯,比如量子密钥分发,不是传递信息,而是协商密钥。我们提出的量子直接通信是经典通信意义上的通信。

经典保密通信有两个“担心”。窃听者可以把密文存储,第一个“担心”是,未来可能发现更快的算法,第二个是“担心”未来会有更强大计算机,保密期限会大幅度降低。

当前,量子通信由于器件方面的缺陷,还无法做到绝对安全。未来,将经典通信与量子通信相结合,可以实现现有条件下最安全的通信。

《中国科学报》:我们倡导从0到1的原始创新,诺奖成果可以给我们怎样的启示?科学家需要什么样的研究环境和氛围?

蔡荣根:诺奖主要颁给科学发现与技术发明,今年获奖的量子纠缠等在当初提出时显然与日常生活没有太大关系,也并不一定认识到其重要性,但随着时代发展,可能慢慢会演变从而改变我们的生活。

这就是基础研究,挑战性大、花费时间长,是我们较为缺乏的。当前,我国提倡从0到1的基础研究,减少跟风式研究,并给予了大力支持,科研人员应有雄心、有毅力做这样的研究,聚焦关键核心问题,为解决国家的重大需求做贡献。

做科学研究的目的也不是为了得诺贝尔奖,应是探索自然,为全人类做贡献,这是做科学研究的重要意义。

沈洁:三位获奖者都是实验科学家,这对我们实验工作者是一个激励,只要把实验做到极致,也能够获得重大突破、受到国际认可。

未来要做更多关于精密测量、量子通信等方面的前沿探索,这对年轻人来说是一个启发。

相关专题:2022年诺贝尔奖
 
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