為量子信息時代奠定基礎

龍學鋒

量子力學從20世紀初誕生以來，催生了晶體管、激光等重大發明，這被科學界稱為第一次量子革命。近年來，以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命正在興起。今年的諾貝爾物理學獎的獲獎者，探索了糾纏的量子態，他們的實驗為基于量子信息的新技術掃清了障礙，為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。

2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·塞林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學”方面做出的貢獻。2010年他們就曾因量子糾纏領域的成就而同獲沃爾夫物理學獎，12年之后的今天，他們又因量子信息科學技術方面的貢獻而同獲諾貝爾物理學獎。

如果量子力學描述的現象正確的話，兩個用戶A和B，無論間隔的空間和時間有多遠，他們之間永遠能產生關聯。科學家對量子糾纏有一個通俗的解釋：在浩瀚的宇宙中有一種現象似乎顛覆了自然法則，如果把兩個粒子放到一起配對后，再把兩個粒子分開，一個放在實驗室，而另一個放在宇宙空間，此時神奇的事情就發生了。即使放在宇宙空間的粒子與地球上的粒子距離數百光年，也能相互關聯。此時，科學家將地球上的一個粒子向左旋轉，那么，宇宙空間的另一個粒子會同時向右旋轉，不受地球與宇宙空間的距離限制。這就是神奇的量子糾纏現象。

量子糾纏是量子力學中最具爭議的問題之一，不同學派的科學家對量子糾纏這樣的詭異物理現象有著不同的解釋，典型代表就是愛因斯坦和玻爾的爭論。20世紀30年代，愛因斯坦與以玻爾為首的哥本哈根學派，就量子力學的根本問題展開了一場曠日持久的大辯論，其中爭論的一個核心問題就是量子糾纏現象。

愛因斯坦認為，量子糾纏不可能讓兩個粒子超越空間進行瞬時作用。為了反駁量子糾纏那魔鬼般的超距作用，愛因斯坦舉了這樣一個例子：把一雙手套分別裝入兩個外觀完全相同的盒子里，做無差別的打亂之后，隨機挑選一個放在家里，另一個放到南極大陸，倘若這時候我們打開家里的盒子，發現里面裝的是左手手套，那么南極的那個盒子即使不用打開，我們也能確定它為右手手套。愛因斯坦認為量子糾纏本質上是一個粒子被分割成兩個粒子后形成的糾纏現象，它們各自的狀態在分離后的那一瞬間就被決定好了，這樣一來，量子糾纏就不能超越光速了，沒有違背他的相對論。在很長一段時間里，以愛因斯坦為代表的部分物理學家對量子糾纏持懷疑態度，愛因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”。他們認為量子理論是“不完備”的，糾纏的粒子之間存在著某種人類還沒觀察到的相互作用或信息傳遞，也就是“隱變量”。

但是玻爾卻不這樣認為。作為量子力學哥本哈根學派的創始人，玻爾不贊成愛因斯坦的這種解釋。實驗結果證明，量子糾纏并不像愛因斯坦所認為的那么簡單。科學家通過在不同方向對同一個糾纏粒子展開多次測量發現，遠在異地的另一個糾纏粒子的自旋方向會隨著測量方向的不同而發生改變。如果按照愛因斯坦的說法，只要第一次測量的糾纏粒子自旋為下，那么遠在異地的另一個糾纏粒子的自旋就必然為上，而且第二次、第三次一直到第無數次的測量都應該是這個結果，但是實驗結果卻并非如此。愛因斯坦根本不相信年輕的玻爾的研究，直到他1955年去世，都一直認為量子力學是不完整的。

1964年，物理學家約翰·貝爾提出可用來驗證量子力學的“貝爾不等式”。通過驗證這個不等式可以得出量子糾纏背后到底有沒有一個未知的、我們不了解且不可測量的新世界或者新現象干預著粒子之間的相互作用，進而導致我們的自然世界出現了像量子糾纏這樣神奇的“表象”。如果能通過實驗驗證貝爾不等式成立，那么就是愛因斯坦獲勝了；如果實驗結果證明貝爾不等式不成立，那么就是玻爾贏了。

美國科學家約翰·克勞澤是世界上第一位對貝爾不等式進行驗證的科學家。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。1964年，他獲得了加州理工學院的物理學學士學位，1969年獲得哥倫比亞大學物理學博士學位。1972年，正在加州大學伯克利分校任職的克勞澤與博士生斯圖爾特完成了世界上首次對違反貝爾不等式的實驗觀察。為了對貝爾不等式進行驗證，他們設計了相關實驗，使用特殊的光照射鈣原子，由此發射糾纏的光子，再使用濾光片來測量光子的偏振狀態。經過一系列測量，克勞澤能夠證明實驗結果違反了貝爾不等式，且與量子力學預測相符。

但這類早期實驗往往存在漏洞，原因包括實驗裝置在產生和捕獲粒子方面效率較低、濾光片處于固定角度等。在此基礎上，法國科學家阿蘭·阿斯佩設計了新版本的實驗，測量效果更好。現年75歲的阿蘭·阿斯佩是法國物理學家、巴黎薩克雷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。1982年，還在攻讀博士學位的阿斯佩改進了克勞澤的實驗，第一次真正意義上補上了漏洞，驗證了貝爾不等式并不成立，并提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，且沒有“隱變量”。

1997年，由安東·塞林格領導的因斯布魯克大學研究組，首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證。次年，他們讓光子飛出相距400米，這一實驗使得“將量子態從一個粒子轉移到遠處的一個粒子”成為可能。塞林格后來對貝爾不等式進行了更多的實驗驗證。其中一項實驗使用了來自遙遠星系的信號來控制濾波器，確保信號不會相互影響，進一步證實了量子力學的正確性。塞林格現年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。值得一提的是，塞林格不僅是中國科學院院士潘建偉的博士導師、中國科學院的外籍院士，他還一直在積極推動國際交流與合作，對中國量子科技發展也保持著關注和支持。自1983年起，他與中國科學院以及中國工程院等機構長期保持著溝通和交流，受聘為中國科學技術大學、南京大學、西安交通大學的名譽教授。目前，塞林格團隊與中國科學院合作密切，參與了中國科學院主導的洲際量子通信實驗，在國際上首次實現北京—維也納兩地量子保密通信。

克勞澤通過實驗驗證貝爾不等式不成立支持了量子力學，也就意味著量子力學不能被使用隱藏變量的理論所取代；阿斯佩進一步發展了這一實驗，彌補了重要的漏洞；塞林格則開始使用量子糾纏態，他的研究小組還證明了一種被稱為量子隱形傳態的現象，它可以將量子態從一個粒子移動到遠距離的另一個粒子。

三位獲獎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，這也糾正了愛因斯坦的一個錯誤；二是他們的開創性實驗，為今后量子信息技術尤其是量子通信的發展鋪平了道路。

從具體應用來看，三位科學家通過開創性的實驗證明，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。

“越來越清楚的是，一種新的量子技術正在興起。我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作極其重要，甚至涵蓋了對于量子力學基本問題的解釋。”諾貝爾物理學委員會主席安德斯·伊爾貝克說。

人類對未知的探索永無止境，量子力學充滿了難以言喻的魅力。如今，許多基于量子力學的研究成果，都已經在應用領域發揮一定作用，比如正在快速發展的量子計算機和量子加密通信技術。

2022年諾貝爾物理學獎的公布現場，潘建偉團隊的“墨子號”也公開“亮相”，出現在介紹獲獎者成果的案例展示中。頒獎委員會在介紹獲獎者之一安東·塞林格的工作時，也提到了中國科學家團隊為此做出的杰出貢獻。他的這次獲獎，與中國“墨子號”團隊在衛星尺度上證明了他所發明的技術密切相關。

2016年8月16日，中國發射了全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，2017年1月18日正式開展科學實驗，構建“墨子號”的基礎科學原理，就是塞林格團隊1997 年首次完成的量子隱形傳態實驗。

1997年，塞林格首次實現量子隱形傳態的工作，被公認為是量子信息實驗研究的“開山之作”，相關成果發表于當年12月的《自然》雜志上，題為《實驗量子隱形傳態》，這篇文章的第二作者正是當時作為他學生的潘建偉。

2018年，塞林格團隊以合作形式參與中國科學院主導的洲際量子通信實驗，與中國科學技術大學的潘建偉及彭承志等人合作，利用“墨子號”量子科學實驗衛星，實現距離達7600千米的洲際量子密鑰分發，成功舉行了75分鐘的中國科學院和奧地利科學院洲際量子保密視頻會議，并利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信。

2019年，塞林格團隊再次與潘建偉團隊合作，在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態。這是自1997年實現二維量子隱形傳態實驗以來，科學家第一次在理論和實驗上把量子隱形傳態擴展到任意維度，為復雜量子系統的完整態傳輸以及發展高效量子網絡奠定了堅實的科學基礎。