2022年諾貝爾物理學獎為何頒給了這三位？
“今年諾貝爾物理學獎頒給這三個人，確實毫不意外�！�10月4日下午，中科院物理所原研究員、北京凝聚態(tài)物理國家研究中心原首席科學家、上海交通大學李政道研究所講席教授丁洪在接受新京報記者采訪時表示，這三位科學家獲獎也屬于眾望所歸。
北京時間10月4日下午，瑞典皇家科學院宣布，將2022年諾貝爾物理學獎頒給法國科學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國科學家約翰·克勞澤（John F. Clauser）和奧地利科學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學”方面所作出的貢獻。他們將平均分享1000萬瑞典克朗（約合人民幣647萬元）的獎金。
丁洪表示，這三位科學家的研究價值主要有兩方面，一是證明了量子具有糾纏性，也就是證明量子力學是正確的，這也就證明了愛因斯坦的一個錯誤；二是他們的開創(chuàng)性實驗，為今后量子信息技術尤其是量子通信的發(fā)展鋪平了道路。
獲獎者是誰？
阿斯佩、克勞澤、蔡林格三人獲得諾貝爾物理學獎在許多人的意料之內(nèi)。主要是因為，三人2010年就曾同獲沃爾夫物理學獎，表彰他們在量子糾纏領域的成就，為量子通信和量子計算等量子信息技術建立了基礎。
12年之后，三位科學家因為其在量子信息科學技術方面的貢獻同獲諾貝爾物理學獎。
諾貝爾物理學獎委員會在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)進行了開創(chuàng)性實驗，證實了研究和控制處于糾纏狀態(tài)的粒子的潛力。這一試驗結果為量子信息相關新技術的發(fā)展掃清了障礙。
現(xiàn)年75歲的阿蘭·阿斯佩是法國物理學家、巴黎薩克萊大學和巴黎綜合理工學院教授、法國科學院院士，同時也是香港城市大學香港高等研究院高級研究員。
據(jù)香港城市大學官網(wǎng)介紹，阿斯佩以其揭示量子力學最有趣特性的實驗而聞名。1982年，他對糾纏光子的貝爾不等式測試推動解決了愛因斯坦（Albert Einstein）和玻爾（Niels Bohr）之間關于量子力學的爭論。
約翰·克勞澤1942年12月出生于美國加利福尼亞州，是美國知名實驗物理學家和理論物理學家。
據(jù)他的官網(wǎng)介紹，克勞澤最出名的是他對量子力學基礎的貢獻，尤其是他提出的克勞澤-霍恩-西蒙尼-霍爾特不等式（CHSH）、第一個通過實驗證明非局部量子糾纏的真實性，以及塑造了局部現(xiàn)實主義理論。
安東·蔡林格現(xiàn)年77歲，是奧地利量子物理學家、維也納大學物理學教授、奧地利科學院量子光學與量子信息研究所高級科學家。
據(jù)奧地利科學院官網(wǎng)介紹，蔡林格因其對量子物理學基礎在概念和實驗方面開創(chuàng)性的貢獻聞名，尤其是他在量子糾纏領域的實驗和理論工作廣受認可。
當?shù)貢r間2022年10月4日，瑞典斯德哥爾摩，瑞典皇家科學院公布諾貝爾物理學獎得主。圖/IC photo
證明愛因斯坦錯了？
量子力學作為一個新興的理論在上個世紀與其他理論之間有著長期的“交鋒”，偉大的物理學家愛因斯坦也曾一度質(zhì)疑這一理論的合理性。
據(jù)北京理工大學物理學院量子技術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佯謬，指出要么量子理論是不完備的，要么量子力學會導致超光速的作用，與局域性相違背。這被稱作EPR佯謬，因為三人姓名的首字母分別是E、P、R三個字母。
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)。如果有兩個電子，兩個電子的自旋態(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)，自旋同時向上和同時向下的疊加態(tài)。當測量出一個電子的自旋是向上（向下）的，那么另外一個電子的自旋態(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。這個塌縮的是瞬時的，傳遞速度超越了光速。最新的實驗表明，這個超距相互作用傳遞速度至少是光速的一萬倍。
“就好比一個電子在地球上，一個在月球上，盡管兩者距離非常遠，但如果對地球電子的自旋進行測量是向上的，則可以知道月亮上的電子自旋也是朝上的�！鼻迦A大學物理系教授、北京量子信息科學研究院副院長龍桂魯告訴新京報記者，在愛因斯坦看來，這種超距相互作用是不可思議的。“現(xiàn)在看來，糾纏是量子力學體系特有的狀態(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年玻姆在標準量子理論中加入了經(jīng)典的“隱變量”，把它變?yōu)榱艘粋�完全決定性的理論。
所以，很長一段時間，問題的關鍵在于搞清楚這種相關性是否是因為糾纏對中的粒子包含隱藏變量，從而“指示”它們在實驗中的表現(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，則大量的測量結果之間的相關性永遠不大于2。但量子力學預測某種類型的實驗將違反貝爾不等式，最大值可以到2倍的根號2（約等于2.848）。一旦實驗測量的結果大于2，就意味著局域隱變量理論是錯誤的。貝爾不等式的誕生，宣告了量子理論的局域性爭議，從帶哲學色彩純粹思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學理論。
此后，本屆諾貝爾物理學獎三人分別進行了驗證貝爾不等式的實驗。
1972年，約翰·弗朗西斯·克勞澤等人完成第一次貝爾定理實驗，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，結果不具有說服力。1982年，貝爾不等式得到阿蘭·阿斯佩等人驗證，量子理論勝出。但這些實驗中仍然存在漏洞。1998年，安東·蔡林格等人在奧地利因斯布魯克大學完成貝爾定理實驗，徹底排除定域性漏洞。但是實驗用的單光子探測器效率不夠高，無法排除測量帶來的漏洞。
科學家一直在為完成無漏洞貝爾不等式違背的實驗而努力。
2015年，荷蘭代爾夫特大學物理學家羅納德·漢森(Ronald Hanson)研究組報道了他們在金剛石色心系統(tǒng)中完成的驗證貝爾不等式的實驗。要避免局域性漏洞，只需把兩個金剛石色心放置在相距1.3公里的兩個實驗室。利用糾纏光子對和糾纏交換技術，他們實現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏，同時解決了局域性漏洞與測量漏洞。這個實驗也宣告了局域隱變量理論的死刑，量子非局域性是真實的。緊接著，美國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驗。
“簡單來說，今年諾獎三位科學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錯誤，因為他是反對這一點的。”丁洪表示，“幾位科學家上世紀七八十年代就完成了基本的實驗，但到今年才基本全部完成驗證�！�
這項研究的價值在哪兒？
尹璋琦稱，無漏洞的貝爾不等式驗證實驗，為未來量子密鑰分發(fā)技術提供了技術儲備。清華大學物理系教授、北京量子信息科學研究院副院長龍桂魯稱，此次獲得諾獎的三人于2010年獲得沃爾夫獎，此前也是諾獎的熱門人選。
“這三位科學家對量子糾纏的研究，最大的現(xiàn)實應用價值就在于推動現(xiàn)代量子信息技術的發(fā)展，尤其是量子通信和量子計算�！倍『閷π戮﹫笥浾呓忉尩�。
諾貝爾獎官網(wǎng)介紹稱，當前，量子力學逐漸開始得到應用，關于量子計算機、量子網(wǎng)絡、量子加密通信的研究越來越得到重視。
推進量子信息技術發(fā)展的一個關鍵影響因素就是，量子力學如何允許兩個或多個粒子以糾纏狀態(tài)存在——因為糾纏對中一個粒子的狀態(tài)會決定另一個粒子的狀態(tài)，即使它們相距非常遙遠。
他進一步指出，從具體應用來看，這三位科學家通過開創(chuàng)性的實驗證明，量子糾纏具有非定域性，也就是說量子糾纏可以在很遠的距離進行超光速的傳輸，利用這一點，人們可以開展量子通信和量子密碼的研究。
諾貝爾物理學委員會主席安德斯·伊爾貝克表示，“越來越清楚的是，一種新的量子技術正在出現(xiàn)。我們可以看到，獲獎者對糾纏態(tài)方面的研究非常重要，甚至超出了關于量子力學解釋的基本問題。”
目前，研究人員正在推動相關技術的研發(fā)，以利用單個粒子系統(tǒng)的特殊特性來構建量子計算機、改進測量、建立量子網(wǎng)絡并發(fā)展安全的量子加密通信。
圖片來自諾貝爾獎官網(wǎng)。
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諾貝爾物理學獎小知識
諾貝爾物理學獎是阿爾弗雷德·諾貝爾在其遺囑中提到的第一個獎項。從1901年至2021年，諾貝爾物理學獎已頒發(fā)過115次，其中47次授予單一獲獎者，32次由兩位獲獎者分享，36次由三位獲獎者分享。
截至2021年，共有219位諾貝爾獎物理學獎獲得者。其中，美國科學家約翰·巴丁是唯一曾在1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學獎的獲獎者，這意味著共有218人曾獲得諾貝爾物理學獎。
最年輕的諾貝爾物理學獎得主是勞倫斯·布拉格，他1915年和父親亨利·布拉格共同獲獎時年僅25歲。最年長的諾貝爾物理學獎得主是亞瑟·阿斯金，他2018年獲獎時已96歲。
在諾貝爾六大獎項中，物理學獎是女性獲獎人次第二少的獎項，只多于僅有2名女性獲獎的諾貝爾經(jīng)濟學獎。截至2021年，共有4名女性曾獲得諾貝爾物理學獎，分別是瑪麗·居里（1903年獲獎，1911年獲諾貝爾化學獎）、瑪麗亞·梅耶（1963年獲獎）、唐娜·斯特里克蘭（2018年獲獎）、安德烈婭·蓋茲（2020年獲獎）。
據(jù)人民網(wǎng)報道，諾貝爾物理學獎主要集中四個領域：粒子物理、天體物理、凝聚態(tài)物理、原子分子及光物理。但2021年的諾貝爾物理學獎首次頒給了氣候?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全球變暖的可靠預測”方面的貢獻；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”同獲當年獎項。
新京報記者 謝蓮 張璐
編輯 張樹婧 校對 柳寶慶 付春愔
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