為啥今年這么多人都猜中了諾貝爾物理學獎？

文 ｜ 《中國科學報》 記者 韓揚眉 張雙虎 倪思潔

“眾望所歸，他們終于獲得了諾貝爾獎！”

10月4日下午，瑞典皇家科學院決定將2022年的諾貝爾物理學獎授予法國科學家Alain Aspect、美國科學家John F.Clauser和奧地利科學家Anton Zeilinger ，以表彰他們“用糾纏光子進行的實驗，確定了貝爾不等式的不成立，并開創了量子信息科學”。

上世紀70年代開始，科學家們開始在實驗上深入探索量子世界，三人前赴后繼，歷時30年，克服諸多困難，最終完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領域的開山之作。

如今，量子力學已擁有很廣闊的研究領域，包括量子計算機、量子網絡和安全的量子加密通信。

“越來越明顯的是，一種新的量子技術正在出現。我們可以看到，獲獎者對糾纏態的研究非常重要，甚至超越了解釋量子力學的基本問題。”諾貝爾物理學委員會主席Anders Irbäck說。

為什么量子信息科學獲獎成為“眾望所歸”？如何認識量子科學理論與實驗的關系？量子科技何時能成為現實？《中國科學報》記者邀請4位專家進行解讀。

《中國科學報》：看到今年諾獎的評選結果后，你有什么感受？

中國科學院理論物理研究所研究員蔡榮根：眾望所歸，奧地利科學家Anton Zeilinger是中國科大潘建偉院士的導師，是中國科學院外籍院士。他與中國有著很好的合作關系，常來作報告。

清華大學物理系教授龍桂魯：這對量子信息這么多年取得的成績是一個肯定。事實上，三位科學家已經在2010年獲得沃爾夫物理學獎，表彰他們在量子糾纏領域的成就。

中國科學院物理研究所特聘研究員沈潔：量子的研究和技術手段進步很快，但本質底層的基礎進展可能并不是那么快，這也使得很多現象難以解釋，比如量子糾纏等，最本質的原因其實還是未知，未來，從更根本的角度深入解釋，還需要理論的貢獻。

《中國科學報》：這個研究究竟在講啥？

龍桂魯：上世紀60年代，約翰·貝爾提出一個關于是否存在完備局域隱變量理論的數學不等式。該定理在定域性和實在性的雙重假設下，對于兩個分隔的粒子同時被測量時其結果的可能關聯程度建立了一個嚴格的限制，提供了用實驗驗證在量子不確定性和愛因斯坦的定域實在性之間做出判決的機會。

簡單說，兩個存在糾纏態的粒子分開以后，如果量子力學是對的，這個不等式的值就大于2。他們三位最早驗證了貝爾不等式的違反，但是由于存在探測器效率低、兩個量子之間距離短的漏洞，貝爾不等式違背的驗證仍有物理學家質疑。

2015年，荷蘭Ronald Hanson、美國Sae-Woo Nam等人和奧地利Zeilinger等實現了無漏洞的不等式驗證，證明了量子力學的正確性。

《中國科學報》：三位諾獎得主在這項研究中的關系是怎樣的？他們分別做了哪些貢獻？

龍桂魯：法國科學家Alain Aspect做超冷原子和量子光學；奧地利科學家Anton Zeilinger原來在麻省理工學院當老師，最早做中子干涉研究，后來回到奧地利開始做光學，他是潘建偉院士的博士生導師。2002年，我到Anton Zeilinger教授團隊訪問了兩個月。美國科學家John F.Clauser原先做理論，后來理論和實驗都做。

上世紀60年代，約翰·貝爾提出了以他名字命名的數學不等式，即“貝爾不等式”，Alain Aspect開始了一系列的實驗對其驗證，這也是國際最早的實驗驗證之一，驗證結果是違反貝爾不等式的。早期實驗是有漏洞的，不足以證明量子力學是正確的。2015年三位科學家擺出了實驗漏洞。實驗驗證了貝爾不等式違背。

《中國科學報》：此次諾獎頒給量子實驗科學家，如何認識理論與實驗的關系？

蔡榮根：實驗和理論研究相輔相成。通常理論會走在實驗的前面，人們會根據觀測事實提出一些理論，做出一些預言，并通過實驗去驗證它。通常好的技術手段有利于驗證理論成果，而通過驗證的理論，反過來會指導和支持技術的發展。

事實上，我們現在生活中的信息技術，各種高新技術很多都建立在相對論、量子力學基礎之上。現在技術的發展能操控物質的量子性質，控制原子，讓它的運動速度降下來，把溫度降下來，這就是理論和實驗相輔相成的典型例子。

中國科學院高能物理研究所特聘研究員陳繕真：理論物理指導我們實驗工作，我們實驗結果反饋給理論物理學家，如果符合理論預期，則是好事，若不符合，其實是更大的好事，說明理論有進一步發展的潛力。

如今基礎科學研究越來越細化，要取得突破性進展，不光是理論物理學家和實驗物理學家的合作，還要跟工程師等不同領域的專家合作，這是全新的科研模式。

《中國科學報》：量子通信技術多少年能夠成為現實？

龍桂魯：量子通信包含了一個廣義的概念，通過移動量子態完成的任務都可以叫做量子通信。而經典通信的定義是信息的可靠傳輸，照此，我們的量子通信還算不上通訊，比如量子密鑰分發，不是傳遞信息，而是協商密鑰。我們提出的量子直接通信是經典通信意義上的通信。

經典保密通信有兩個“擔心”。竊聽者可以把密文存儲，第一個“擔心”是，未來可能發現更快的算法，第二個是“擔心”未來會有更強大計算機，保密期限會大幅度降低。

當前，量子通信由于器件方面的缺陷，還無法做到絕對安全。未來，將經典通信與量子通信相結合，可以實現現有條件下最安全的通信。

《中國科學報》：我們倡導從0到1的原始創新，諾獎成果可以給我們怎樣的啟示？科學家需要什么樣的研究環境和氛圍？

蔡榮根：諾獎主要頒給科學發現與技術發明，今年獲獎的量子糾纏等在當初提出時顯然與日常生活沒有太大關系，也并不一定認識到其重要性，但隨著時代發展，可能慢慢會演變從而改變我們的生活。

這就是基礎研究，挑戰性大、花費時間長，是我們較為缺乏的。當前，我國提倡從0到1的基礎研究，減少跟風式研究，并給予了大力支持，科研人員應有雄心、有毅力做這樣的研究，聚焦關鍵核心問題，為解決國家的重大需求做貢獻。

做科學研究的目的也不是為了得諾貝爾獎，應是探索自然，為全人類做貢獻，這是做科學研究的重要意義。

沈潔：三位獲獎者都是實驗科學家，這對我們實驗工作者是一個激勵，只要把實驗做到極致，也能夠獲得重大突破、受到國際認可。

未來要做更多關于精密測量、量子通信等方面的前沿探索，這對年輕人來說是一個啟發。