诺贝尔物理学奖授予量子力学：获奖者证明爱因斯坦的错误

作者：研究生的酸甜苦辣咸

发布时间：2022-10-05 12:12

快照：

这些开创性实验

不仅确认了量子力学是正确的

还开启了第二次量子革命

北京时间10月4日17时45分，诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。

2022诺贝尔物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格

诺贝尔物理学委员会指出，他们的工作“为量子技术的新时代奠定了基础”。委员会成员伊娃·奥尔森说，量子信息科学在安全信息传输和量子计算等领域具有广泛的影响，是一个“充满活力且发展迅速”的领域。

证明爱因斯坦错误

“他们三位获奖是实至名归。”图灵量子创始人、上海交大集成量子信息技术研究中心主任金贤敏对《中国新闻周刊》说。他解释，阿斯佩等三人是量子信息领域公认的开创者和先驱，这些实验结束了爱因斯坦和旧量子论奠基人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔持续近百年的争论。

20世纪20年代的量子力学革命就是在这场争论中开启。量子力学长期以来的核心理论难题是“远距离的幽灵行动”问题，即为何两个或多个粒子以所谓的纠缠态存在，更进一步阐述，纠缠对中的一个粒子发生的事情，就决定了另一个粒子发生的事情——即便它们相距很遥远。比如，一个光子的偏振态是“向上”的，另一个光子的偏振态就必然是“向下”的，仿佛“心灵感应”。对此，爱因斯坦认为，纠缠对中的粒子包含了隐藏变量，即局部因果关系，因此量子力学形式是不完整的。显然，爱因斯坦不相信上帝会掷骰子，玻尔则强烈反对这一结论。

1935年，爱因斯坦等更进一步提出了著名的EPR佯谬，核心观点是：量子力学没有提供对现实完整描述。1964 年，在欧洲核子研究中心工作的英国物理学家约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式，这一不等式的核心在于，如果存在隐藏变量，则大量粒子测量结果间相关性永远不会超过某个值。如果能通过实验验证，测量结果违反了贝尔不等式，就意味着量子力学不能用局域隐变量理论来解释，即证明爱因斯坦的认知是错误的。

后来事实表明，阿斯佩、克劳泽和塞林格都通过实验验证了违反贝尔不等式的情况，因此，三人早在2010年就共同获得了世界物理学界最高成就奖之一的沃尔夫奖，获奖理由是“他们对量子物理学基本概念和实验的贡献，特别是对贝尔不等式一系列日益复杂的测试或使用纠缠量子态对其扩展。”

克劳泽是世界上第一个对贝尔不等式验证的科学家，他今年已经80岁了。1972 年，正在加州大学伯克利分校任职的他就与博士生斯图尔特完成了世界上首次对违反贝尔不等式的实验观察。在哥大读书期间，克劳泽的量子力学课还曾连续两次获得C, 又被迫重修了两次。

这类早期实验往往存在漏洞。1982年，还在读博的阿斯佩改进了克劳泽的实验，第一次真正意义上补上了漏洞，验证了贝尔不等式并不成立。阿斯佩1947年出生在法国，先后在法兰西学院和巴黎高等师范学院等任职，后来成为了法国国家科学研究中心的杰出名誉科学家。

中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿对《中国新闻周刊》分析说，贝尔不等式是量子力学发展中一个非常重要的理论，这个理论之所以如此重要，是因为它对“量子力学是否正确”这样的重大问题做出了一个判断。而在验证的所有实验中，阿斯佩实验又是其中最重要的一个，因为早期实验漏洞太多，并不令人信服，但阿斯佩实验第一次“用光学的方法真正把道理讲清楚”，被学界所公认。实验提供了一个非常明确的结果：量子力学是正确的，没有隐藏的变量，“幽灵肯定存在”。

“我1990年代到阿斯佩的实验室参观时遇到了他，他是个做学问很认真的人，他当时自己说，他的实验仍有漏洞，但这并不影响实验的结论。”郭光灿说。

实验的漏洞被完全“堵上”要等到2015年，这是塞林格的工作。在一系列实验中，他使用了距离源足够远、快速可切换的偏振器，还使用大约 600 年前恒星发出的光来进行测试，以尽可能减少“历史性”中的隐藏变量。包括塞林格在内的多个团队完成了“无漏洞”的贝尔不等式验证。

塞林格1945年出生于奥地利，1971 年在维也纳大学获得博士学位，1999年加入维也纳大学任教，后来成为奥地利科学院院长。值得一提的是，国内知名量子通信专家潘建伟1996年在奥地利攻读博士学位时，就师从塞林格。现在，塞林格团队与中国科学院合作密切，参与了中科院主导的洲际量子通信实验，在国际上首次实现北京--维也纳两地量子保密通信。

诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克在颁奖时说，三位获奖者各自使用“两个粒子即使在分离时也表现得像一个单元”的纠缠量子态，进行了开创性实验，实验结果为基于量子信息的新技术扫清了障碍。“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”。

《星际迷航》中的“超时空传输”

这些开创性实验的重要意义，不仅重新确认了量子力学纠缠态存在的基础理论，而且开启了第二次量子革命——量子通信技术诞生。

2022年诺贝尔物理学奖的公布现场，潘建伟团队的“墨子号”也公开“亮相”，出现在介绍获奖者成果的案例展示中。2016年8月16日，中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，于2017年1月18日正式开展科学实验，构建“墨子号”的基础科学原理，就是塞林格团队1997 年首次完成的量子隐形传态实验。“这可能是颁奖给塞林格的重要理由之一。”郭光灿解释道。

什么是量子隐形传态？

简单来说，就是《星际迷航》中的超时空传输，即点对点的远距离“传送”，量子隐形传态就是利用纠缠态传输量子信息。但值得注意的是，在这个过程中，传输的是两个纠缠粒子的状态，比如自旋状态，而非粒子本身，比如把粒子Ａ的未知量子态传输给远处的另一个粒子Ｂ，让Ｂ粒子的状态变成Ａ粒子最初的状态。

金贤敏解释说，当实验人员想传输一个量子态时，先把这个初始量子态和量子纠缠对中其中一个粒子“碰一下”，“进行一系列操作”，再把操作结果发到纠缠对的另外一个粒子处，对其进行一定操纵和旋旋以后，“另外一个粒子就会和最初想传输的量子态一模一样，也就是通过纠缠做一个桥梁，可以传递任意未知的量子态。”

1997年，塞林格首次在实验中成功传送了一个光子的自旋，相关成果于当年12月被发表在《自然》上，题为《实验量子隐形传态》。论文指出，量子隐形传态是量子系统状态在任意距离上的传输和重建，也是量子计算网络的关键组成部分。几年后，塞林格团队又成功将秘密信息编码成纠缠光子串，使窃听者无法有效拦截这些信息。

在《实验量子隐形传态》一文中，27岁的潘建伟担纲第二作者，该文后来还入选了《自然》的“物理学百年21篇经典论文”。“入选的这些论文中，前面20篇都拿到诺奖了，这是第21篇，今年也获得了诺奖。”金贤敏说。金贤敏是潘建伟的学生，在博士求学期间，就在野外环境下开展了三年量子隐形传态实验。

郭光灿认为，这项工作的重要意义，在于首次实现了对粒子的“操纵”，而这是量子通信的基础性工作。诺贝尔物理学委员会在颁奖时也说：“能够操纵和管理量子态及其所有属性层，使我们能够获得有着意想不到潜力的工具。”

潘建伟10月4日接受《知识分子》采访时对塞林格的工作进行了总结：“他的工作直接推动了量子信息领域的发展，相当于起到了从量子基础到量子信息领域的桥梁作用。”金贤敏指出，这种“量子态级别的高精度大规模操纵”，推动了以量子计算、量子通信、量子精密测量和量子成像为代表的一系列新技术的崛起。

目前，量子通信是唯一被证明无条件安全的通讯方式；量子计算则有着远超传统计算机的超快的并行计算能力。

现在，中国在量子通信技术上已经处于全球前列。2009年，潘建伟团队与清华大学合作，在北京八达岭与河北怀来之间实现了16公里的量子态隐形传态，相当于此前世界纪录27倍。2015年，潘建伟团队进一步实现了单光子多自由度的量子隐形传态，首次证明了一个粒子的所有性质在原理上都是可以被传输的，即完整意义上的量子隐形传态。今年5月，潘建伟团队利用“墨子号”首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络又迈出了重要一步。

与此同时，全球各国都在抢占“量子赛道”。美国正在建造量子卫星链路，特朗普政府2018年启动了美国量子行动计划，计划在2019~2023年在量子研究方面投入12.75亿美元。2018年10月，欧盟也宣布了《量子旗舰计划》，计划在未来十年间在量子传感器、量子通信与量子计算机领域投入10亿欧元。法国宣布了一项规模高达18亿欧元的量子技术五年投资计划。据悉，中国量子国家实验室投入规模预计在未来5~10年达到数百亿元人民币。下一步，中国量子通信技术发展将主要聚焦三个方向：量子通信安全性定量化、量子通信系统芯片化和小型化、完善量子网络建设的方式和协议的更新。

在量子信息技术中，多位业内人士对《中国新闻周刊》指出，量子精密测量是最接近产业化与实用化的，通过量子态对外界进行测量，在精度上突破了经典力学的散粒噪声极限。潘建伟曾在接受《中国新闻周刊》采访时也指出，量子精密测量的用途很广，包括时间、长度、温度等尺度，他预计接下来的5到15年间，各式各样的应用会陆续推出。

郭光灿表示，量子通信“最大的好处”是可以把量子节点联结在一起，共同构成一个量子网络，可以和量子计算融合在一起，这将是未来“有很大发展的一个方向”，但在当下，我们仍处在对节点的研究过程中，而在应用层面，最有前景的则是量子计算机。潘建伟说，在五年内，有信心能建造出“一些专用的量子模拟机来推动整个领域的发展”，而 10~15年后通用的量子计算会取得长足进展。

这些都是在不远的未来即将发生的事情。而在更远的时间的尽头，“生命、宇宙以及任何事情的终极答案”是什么？

塞林格最喜欢的书是《银河系漫游指南》，这本书中有一台强大的超级计算机，对于上述问题，在经过长达750万年运算与验证之后，超级计算机吐出的最终答案是“42”。作为一位狂热的水手，塞林格将他的船也命名为“42”。他说：“如果我们真正去深入了解为什么世界有量子力学，即42 的来源，我有一种感觉，我不相信量子力学是最终定论。”

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爱因斯坦错了？2022年诺贝尔物理学奖公布，证明量子纠缠存在

作者：科学黑洞

发布时间：2022-10-05 04:12

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每年的诺贝尔物理学奖都是重头戏，2022年的诺贝尔物理学奖被颁发给三位科学家分别是：法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验物理学家约翰·克劳泽以及奥地利物理学家安东·塞林格，三位科学家将共享1000万瑞典克朗，相当于650万人民币。

2021年关于诺贝尔物理学奖大家的预测就是量子力学完备性的贝尔不等式证明，但最后却被地球环境领域的科学家拔得头筹，但是好饭不怕晚，2022年诺贝尔物理学奖如约而至，就是关于量子信息科学方面的研究。

说到量子信息科学，我国的领军人物就是中科院院士潘建伟，而这一次的获奖的就有潘教授的恩师塞林格。有些网友不解，为什么潘建伟没有获得诺奖？

其实道理并没有那么复杂，潘建伟院士的工作主要是应用并非是开创性的基础科学，而诺奖更加偏爱那些从0到1的科学贡献，而从1-100无论做的有多好都算是前人栽树后人乘凉了。

回归主题，此次三位科学家获得2022年诺贝尔物理学奖，主要的贡献便是验证贝尔不等式不成立方面的先驱性工作。

什么是贝尔不等式？为何跟量子纠缠有关？为什么要说爱因斯坦错了哪？其实这一切都要从爱因斯坦和以波尔为首的哥本哈根派之间的论剑开始，论剑的内容便是量子力学。

背景

我们都知道二十世纪物理学有两大支柱，相对论和量子力学，爱因斯坦靠一己之力提出狭义相对论和广义相对论，对牛顿的经典力学给予重击，当然相对论的提出并不是彻底否定经典力学，而是一种修正。

而爱因斯坦也算是量子力学的奠基者，爱因斯坦获得的诺奖就是光量子理论，首次提出光是一份份能量的概念即光量子，解释了光电效应，其实这也算是为量子力学的横空出世打开了大门。

有些朋友可能会问爱因斯坦既然是量子力学的奠基者，为什么到最后还要反对量子力学？

其实这是一种误解，爱因斯坦反对的并不是量子力学，而是哥本哈根派对量子力学的诠释。可以简单举一个例子，量子力学就像是被爱因斯坦看中的小宝宝，但是小宝宝长着长着遇到一群坏哥哥，至少在爱因斯坦眼中是这样的。

它们将绝对量子力学未来朝着哪个方向发展，爱因斯坦就不高兴了，好好的栋梁之才都要被坏哥哥带坏了。而这群坏哥哥就是哥本哈根派，他们提出不确定性原理，把量子力学弄地越来越“玄幻”。

例如双层干涉实验，一个光子通过双缝之后在屏幕上呈现，那么这个光子到底是通过左缝隙还是右缝隙，哥本哈根派的解释就是光子同时通过了左缝和右缝，这种说法相当玄幻了，跟宏观世界产生冲突。但是通过不确定性原理来解释，这种现象是存在的。

对于哥本哈根派对量子力学的诠释，老一派物理学家都是难以接受的，例如薛定谔的猫思维实验就是在嘲讽量子力学的不确定性原理，而爱因斯坦也给出了反击，那就是EPR实验。

关于EPR实验

所谓的EPR实验现在应该称之为EPR佯谬，就是因为爱因斯坦错了。当然这个我们后续再谈，1935年5月爱因斯坦同物理学家波多尔斯基和罗森在第47期《物理评论》杂志上，发表了一篇论文名字为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》，在这篇论文中的核心思维实验被命名为EPR实验，也就是以三位作者名字首字母来命名的。

这个实验的大体意思便是一个基本粒子在空中飞行，受到外力后一分为二，我们暂时把这两个粒子称之为A粒子和B粒子，假设这两个粒子飞到宇宙的两端，总之是距离非常远。

这个时候我们去观测A粒子的自旋状态，如果按照不确定性原理，在没观测之前它是不确定的（简单理解成既左旋又右旋），如果A粒子是左旋的，那么B粒子必须是右旋（已知的理论已经证明）。那么问题来了，B粒子是如何知道A粒子的自旋状态？两个粒子相隔那么远，岂不是要超光速信号传播了？

这就是著名的EPR思维实验，在当时的环境下不超光速已经被所有科学家认可，也算是一条铁律，那么该如何解释哪？其实我们可以看到，这就是量子纠缠了，而波尔给爱因斯坦的回复也是如此，无论两个粒子相距有多远都算是处在纠缠状态，属于一个粒子。

关于贝尔不等式

科学上争论再多都没有意义，拿出实验证明一下就可以让所有人闭嘴，贝尔设计出了一个贝尔不等式，让EPR从思维实验走向实验室。

如果是实验证明贝尔不等式成立，那就说明A粒子和B粒子在分开的那一瞬间就决定了自旋的方向，这也说明爱因斯坦是正确性，哥本哈根派的不确定性原理是错误的。

而如果证明贝尔不等式不成立，那就说明A粒子和B粒子自旋状态并非是在分开瞬间确定的，换一句话说就是：爱因斯坦错了，EPR实验变成了EPR佯谬！

首次EPR实验严格检验，爱因斯坦错了

人类历史上对于EPR实验进行首次严格意义的实验检验是在1982年，被称为“阿斯派克特实验”。从这个名字我们就可以知道，这个项目的带头人就是此次诺贝尔物理学奖的获得者之一法国物理学家阿兰·阿斯佩。

总之这位科学家的的实验证明了爱因斯坦输了波尔，同时也说明了哥本哈根派对于量子力学并不算是坏哥哥，不确定性原理是正确的，而量子纠缠也真实存在，并且它也是目前公认的三种超光速现象之一，当然量子纠缠的超光速并不涉及到信息的传递过程。现在基于量子纠缠的量子通信技术，也并不是用来传递信息，而是加密。

其实早在2011年这三位科学家就被提名诺贝尔物理学奖，但最终被从事宇宙膨胀理论研究的科学家拔得头筹，这一次终于没有再错过！恭喜！

文/科学黑洞，图片来源网络侵删。

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爱因斯坦相对论影响很大，为何没有获得诺奖？难道是名过其实？

作者：科学黑洞

发布时间：2020-08-28 12:05

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大家对于爱因斯坦最初的印象就是上小学时，走廊里张贴的各种名人头像，一般排在第一位都是头发蓬乱杂乱无章，看起来特别沧桑但是有智慧感的头像，那就是爱因斯坦。

说起爱因斯坦，最被大家熟知的是他的高智商，以及著名的相对论，但是大部分人只知其名不知其具体含义。

相对论包括两方面狭义相对论和广义相对论，一是打破了牛顿的绝对时空观，二是从本质上诠释了引力。在科学领域诺贝尔奖象征着最高的荣誉，爱因斯坦也是诺奖得主，但是让他得奖的并不是相对论而是光电效应。

很多人对于这一点都很疑惑，为什么影响重大成就很高的相对论却没有获得诺奖？

二十世纪初英国著名物理学家威廉.汤姆生（即开尔文男爵）在一次演讲中提到，回顾过去物理学的发展，已经形成了一座巍峨的大厦，以后所要做的就是修修补补。但是在这座物理学大厦之上还漂浮着两朵小乌云，其中一朵是“迈克尔逊莫雷实验没有证明以太存在”，第二朵小乌云是“黑体辐射试验结果和现有理论之间的冲突”。

最后这两朵小乌云相继发展出相对论和量子力学，成为二十世纪物理学的两大支柱。可想而知，相对论的地位有多重要。

迈克尔逊莫雷实验过程我们就不去阐述了，只要知道这个实验是为了验证牛顿曾经预言过的“以太”，牛顿认为光是在以太中运动。但是最终的实验结果表明以太是不存在的，这个结果顿时把大家给吓到了，牛顿何许人也？在物理学领域那是前无古人后无来者的存在，几乎所有的物理学家都不相信牛顿也会错。

很多人都认为是这个实验过程中出现了误差，而不是认为牛顿预言的以太不存在。嗯，有点绕嘴吧！反正就是大家都坚信牛顿是正确的。

但这个时候有一个二十多岁的小专利员却抱有怀疑精神，从奥卡姆剃刀原理出发，如无必要勿增实体，以太不存在才应该是最简单的解释。后来26岁的爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，彻底地打破了牛顿的绝对时空观。

这是什么概念哪？爱因斯坦认为时间和空间都不是绝对存在的，它们会受到物体运动速度的影响，运动速度越快时间的流失速度越慢。这样的说法即使对于现在很多普通人来说都是无法接受的，大家坚持的还是错误的牛顿绝对时空观。但是爱因斯坦的数学过程又是绝对正确的，让人无法反驳。

此后经过十年磨一剑在1916年爱因斯坦把引力带入自己的理论体系，提出了广义相对论，从本质上诠释了引力，认为引力是时空弯曲的外在表现。时空竟然还是弯曲的，你这让世人如何去接受，据说在爱因斯坦相对论刚提出来的时候，真正理解的就没有几个人。

但还是那句话，想要反驳又做不到，因为有着充足的数学推理过程。后来爱因斯坦的名声越来越大，他的相对论也越来越被世人所接受。

但是在当时的背景下要给相对论诺奖评委会那些人也拿不准，最后1921年的诺奖也就颁给了爱因斯坦1905年提出的光电效应。

当然现在经过时间的洗礼相对论已经完全经受住了考验，成为物理学的真正支柱，但是爱因斯坦早都已经离去，相对论已经无法获得诺奖，但是这并不妨碍它的影响力和对物理学的发展的作用。像爱因斯坦和牛顿等之所以伟大，是因为他们开创了一个时代，后人只不过是添砖加瓦。

文/科学黑洞，图片来源网络侵删。

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迟来的荣誉！三位科学家获诺贝尔物理学奖，他们证明爱因斯坦错了

作者：钛媒体APP

发布时间：2022-10-04 23:05

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2022年诺贝尔物理学奖获得者：法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰克·劳瑟（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）

今年诺贝尔物理学奖正式揭晓。

瑞典斯德哥尔摩当地时间10月4日中午11时45分（北京时间17时45分），瑞典皇家科学院宣布，2022年诺贝尔物理学奖授予三位量子信息领域的科学家：法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）教授、美国理论和实验物理学家约翰·克劳瑟（John F. Clauser） 教授、和奥地利物理学家塞林格（Anton Zeilinger）教授，以表彰他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了“量子信息科学”这一领域。

“接到这个电话，实际上我非常惊讶，”三位获奖者之一的塞林格教授在新闻发布会上对媒体表示，“这个奖项是对年轻人的鼓励——如果多年来，没有100多名与我一起工作的年轻人，这个奖项是不可能实现的。”

他们三人将共享1000万瑞典克朗（约合人民币642.8万元）奖金。

值得一提的是，塞林格教授还是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士的导师。1996年，潘建伟赴奥地利留学，获维也纳大学博士学位，当时塞林格任维也纳大学物理学教授。2008年全职回国后，基于潘建伟和塞林格教授团队共同推动，最终促成了中科大团队和奥地利科学院基于“墨子号”卫星的洲际量子通信合作研究。

“这是一个迟来的荣誉。”夸密创始人兼CEO张文卓博士对钛媒体App表示，此次诺奖中，阿斯佩教授的实验是上世纪80年代做的，至今已经快40年了，这在历届诺奖里面算是相当长的时间了。他认为，如果未来诺奖将颁发给量子通信（量子密钥分发）创始人之后，会对量子信息的产业应用产生巨大影响。

解读诺奖：量子纠缠到底是什么？

量子信息科学的研究包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。

目前，量子信息科学已经从理论层面，如今开始得到应用，例如专注于通过单个粒子系统的特殊属性来建造量子计算机、改进测量方法，以及构建量子网络和安全的量子加密通信等。

而这一发展的一个关键因素是量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的一个粒子的状态，决定了另一个粒子的状态，即使这两个粒子相距很远——这就是“量子纠缠”。

在几十年前，量子力学却曾受到包括物理学泰斗级人物爱因斯坦（Albert Einstein）、薛定谔等多位物理学家的公开质疑，其中就包括了“量子纠缠”。爱因斯坦称，量子纠缠为“幽灵般的超距作用”。他还有一句名言——“上帝不会掷骰子”，也是在否定量子力学中的“测不准原理”，即由于测量的干涉效应，粒子的位置与动量不可同时被测定。

量子纠缠示意图（来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院）

早在1935年，爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基联合发表了论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》，后人称之为EPR文章，EPR即是三人的名的首字母。这篇文章的论证又被称为EPR佯谬或爱因斯坦定域实在论，爱因斯坦认为，一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

随后，薛定谔也发表了几篇相关论文，定义了“量子纠缠”这一术语。但这种行为被爱因斯坦抨击为违背定域实在论。他表示，量子力学的标准表述不具完备性。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔（John Stewart Bell）提出了以他名字命名的数学不等式。他提出，如果存在隐藏变量，大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而，量子力学预言，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式更强的相关性。

获奖者之一的约翰克·劳瑟，发展了约翰·贝尔的想法，并进行了一个实际的量子纠缠实验：劳瑟使用了钙原子，在他用特殊的光照射后，钙原子可以发射纠缠光子。他在两侧设置了一个滤光片来测量光子的偏振。经过一系列测量，他能够证明它们违反了贝尔不等式。这意味着，量子力学不能被一个使用隐藏变量的理论所取代。

用贝尔不等式进行实验

但劳瑟实验仍然存在一些漏洞（loophole）。随后，阿斯佩教授进一步完善了这一实验，他在纠缠粒子离开发射源后，切换了测量设置，因此粒子发射时存在的设置不会影响到实验结果。

通过精密的工具和一系列实验，塞林格教授开始使用纠缠态量子。他的研究团队（潘建伟教授是成员之一）还展示了一种被称为“量子隐形传态”的现象，这使得量子在一定距离内从一个粒子移动到另一个粒子成为可能。

三位物理学家长期对于量子力学的研究工作，最终证明了薛定谔的说法是对的——同时也证明爱因斯坦错了。

“越来越明显的是，一种新的量子技术正在出现。”诺贝尔物理学委员会主席Anders Irback表示，“我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作具有重要意义，甚至超越了有关量子力学解释的基本问题。”

张文卓对钛媒体App表示，目前物理学已经是一个成熟的学科，主要包括凝聚态物理，粒子物理，天体物理，原子分子与光物理四种，而这次量子信息属于第四种，但此次属于基础科学领域，距离产业讨论还有一定距离。

“目前真正能应用的之一是量子密钥分发，其他人量子信息方向其实离产业化还比较遥远。比如，量子计算离真正使用还有十万八千里，而现在只是迈出了非常小的几步而已。”张文卓表示。

诺奖三位获奖者中，有一位是潘建伟院士的导师

其实这三位大家，在获得诺贝尔物理学奖之前，就曾于2010年一起获得过沃尔夫物理学奖（Wolf Prize）——被认为是诺贝尔物理学奖之外，物理学界最重要的奖项之一。2019—2021年连续三年，美国物理联合会旗下科普网站Inside Science就曾预测这三位物理学家将获得诺贝尔物理学奖。

因此，三位诺奖得主此番获奖也是众望所归。

其中，阿斯佩教授于1947年出生在法国阿让，1983年获巴黎第十一大学博士学位，目前是巴黎萨克雷大学和巴黎综合理工学院教授。

劳瑟教授，1942年出生于美国加利福尼亚州，1969年获得美国哥伦比亚大学博士学位。1969年至1996年，他主要在劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利福摩尔国家实验室和加州大学伯克利分校工作。

塞林格是奥地利量子论物理学家。1945年出生于奥地利 ，1971年获奥地利维也纳大学博士学位，曾任教于因斯布鲁克大学，目前是奥地利维也纳大学教授。此外，他还是奥地利科学院量子光学与量子信息研究所维也纳分所主席。

值得一提的是，塞林格教授还是中国科学院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟院士的博士导师。

1996年，毕业于中国科学技术大学近代物理系的潘建伟，赴奥地利留学，获维也纳大学博士学位，毕业后曾任奥地利维也纳大学实验物理所博士后研究员、高级研究员。2008年，潘建伟全职回国，在他的带领下，中国先后在远距离量子通信技术领域不断创新，被英国《自然》杂志评为2017年度十大科学人物。

当然，有网友还分享了潘建伟和塞林格师生之间的一段小花絮。在1957年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁的斡旋下，促成中科大团队和奥地利科学院基于“墨子号”卫星的洲际量子通信合作研究，成果入选美国物理学会评选的2018年度国际物理学十大进展。

潘建伟在10月4日的一场线上直播中表示，他对于本次诺奖感到非常高兴和开心。三位早在2010年获得沃尔夫物理学奖的时候，这个领域还处于实验室阶段，很难从实验室走出去。如今获得诺奖，一方面很高兴，一方面对他们来说也是一个迟到的荣誉。

“在这个过程中，我们感到非常骄傲。比如今天讲的时候，我导师做的前面的一些奠基性实验，包括量子隐形传态、量子纠缠互化等，我自己也是主要贡献者之一，后面也提到了很多我们中国科学家的工作，推动的整个领域发展，所以我也感觉非常开心，非常自豪。”他表示。

潘建伟接受媒体采访时称，这次主要是肯定我们这个领域的几位前辈在量子力学被定性方面的研究，和他们间接、直接地推动了量子信息科学的发展。

115次、218人的诺贝尔物理学奖

此前，诺贝尔物理学奖已颁发过115次，其中47次为单独获奖，32次为2人共享，36次为3人共享。

但第一次世界大战（1914-1918）和第二次世界大战（1939-1945）期间，在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等六年里，没有颁发诺贝尔物理学奖。

从1901年到2021年，共219人次获奖，实际获奖个人为218人，因为美国物理学家John Bardeen于1956年和1972年两次获奖。

往届诺贝尔物理学奖得主中，有4位女性。分别是1903年的居里夫人（居里夫人另外还获得1911年的化学奖）、1963年的Maria Goeppert-Mayer、2018年的Donna Strickland，以及2020年的Andrea Ghez。

此外，因为“对理论物理的贡献，特别是发现了光电效应的原理”，著名物理学家爱因斯坦荣获1921年度的诺贝尔物理学奖（1922年颁发）。

近五年（2016年-2021年）的诺贝尔物理学奖，大部分与天文物理和激光物理有关。其中在2021年，因对理解复杂物理系统做出了开创性贡献，日裔美籍科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼Klaus Hasselmann），与意大利科学家乔治·帕里西（ Giorgio Parisi），三位获得了2021年诺贝尔物理学奖。（本文首发钛媒体App，作者｜林志佳）

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诺奖解读｜为什么证明贝尔不等式不成立，对于量子科学很重要

作者：澎湃新闻

发布时间：2022-10-05 11:32

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·以纠缠光子验证贝尔不等式不成立，不仅是对量子力学基本问题的解答，更重要的是开启了纠缠态在量子通信、量子精密测量中的应用。

北京时间10月4日，2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了量子信息这一学科。

澎湃科技连线多位量子信息领域科学家，解读三位诺奖获得者的学术突破性贡献、研究意义及该领域的目前发展。

2022年诺贝尔物理学奖获得者：法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger） 图片来源：诺贝尔奖委员会官网澎湃科技：你在之前准确预测了2022诺贝尔物理学奖三位获奖人，当时为什么有这样的预测？薛鹏（北京计算科学研究中心教授）：这三位科学家在2010年就因为对量子物理学的基础概念和实验贡献获得沃尔夫奖，像Inside Science于2019年，2020年，2021年连续三年都预测他们有可能获得诺贝尔物理学奖。我也是认为他们实至名归，应该获得这个奖项。

澎湃科技：对于今年诺贝尔物理学奖花落量子信息，物理学界是什么样的反应，这在预期之中吗？

金贤敏（上海交通大学物理与天文学院教授）：最近的国际性的科学大事件确实比较集中在量子信息领域，比如：今年上半年举办的第28届索尔维物理学大会的主题就是量子信息（The physics of quantum information）；上个月科学突破奖（Breakthrough Prize）的基础物理学突破奖颁发给了量子信息领域的Charles Bennett、Gills Brassard、David Deutsch、Peter Shor，表彰他们在量子信息领域的奠基性工作。今年的诺贝尔物理学奖花落量子信息，并不感到意外。

武愕（华东师范大学-阿尔伯塔大学先进科学与技术联合研究院执行院长）：这是在很多人的预期之中的。最近这些年量子信息技术得到了迅速发展，量子信息技术逐步走向实用化，走向对人类社会有所贡献，也就是诺贝尔奖设立的初衷，因此大家都预期近几年量子信息会在诺贝尔物理学奖有所斩获。

澎湃科技：你怎么评价这三位科学家的突破性贡献？

薛鹏：总的来说，这三位科学家在实验上验证了贝尔不等式的违背，从而证明了量子力学的完备性。

当初爱因斯坦和哥本哈根学派有一个争议——量子力学是不是完备的，没有人认为量子力学是错误的，但对于其是不是完备，曾经有过很长时间的争论。爱因斯坦这一方，希望把量子力学中的一些现象跟宏观世界中的一些现象对比，比如贝尔不等式就涉及到局域的实在性。宏观世界当中有局域的实在性，比如说宏观世界中所有的相互作用都跟距离有关系，距离越远相互作用越弱。而量子力学中没有局域性，比如量子纠缠就属于量子非局域。所以，在大家对局域性和非局域性没有认识很清楚的时候，就会认为量子力学是不完备的，就会有很多争议。

后来戴维·波姆在1952年通过引入“隐变量”理论做了一个非常好的解释，在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。他认为是一种隐变量在操控整个量子世界中那些看起来不可思议的事情，但是具体是什么样的变量他也不知道。而贝尔定理的实验验证是一个物理实验，旨在测试量子力学理论与局域隐变量理论哪个正确。1964年，John Bell定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2。而用量子力学理论，可以得出大于2的测量值。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。

在宏观的世界中去验证贝尔不等式，你就永远会得到贝尔不等式成立。那么，这就意味着量子力学是不完备的。后来，这三位科学家就相继在实验上验证了贝尔不等式在量子力学的框架下会被违背，量子力学是完备的。

武愕：三位科学家在验证贝尔不等式方面的突破贡献为量子信息技术大厦的奠定了基石。

阿兰·阿斯佩在实验中以新的方式激发原子，能以更高的速率发射出纠缠的电子，同时，他可以切换实验参数，这样实验系统中就不会有预先信息影响实验结果。尹璋琦（北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授）：John Clauser、Alan Aspect、Anton Zeilinger三人的研究直击量子力学最核心的基础问题，从实验上验证贝尔不等式。

贝尔不等式的根源来自于1935年爱因斯坦、波多斯基和罗森三人提出的一个佯谬，也就是EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯谬：要么量子理论是不完备的，要么量子力学会导致超光速的作用，与局域性相违背。EPR佯谬并没有质疑量子力学的正确性，而是质疑量子力学的不完备性。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2，而用量子理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。此前贝尔一直站在爱因斯坦一方，贝尔研究隐变量理论的初衷是要证明量子理论非局域性有误，可后来所有实验都表明局域隐变量理论预言有误，而量子理论的预言与实验一致。贝尔不等式的诞生宣告量子理论的局域性争议从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。

约翰·克劳泽证明贝尔不等式不成立的实验：用特殊的光激发钙原子，发射出两个纠缠的光子，然后在两端用滤光片测量其偏振情况。John Clauser发展了贝尔的想法。1972年，John Clauser等人完成第一次贝尔定理实验，因存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之间距离太小，不足以说明纠缠的非局域性，结果不具有说服力。

1982年，Alan Aspect等人改进了Clauser的贝尔定理实验，实验结果违反贝尔定理。

1998年，Anton Zeilinger等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，彻底排除定域性漏洞，实验结果具有决定性。

2015年，Anton Zeilinger完成了无漏洞的贝尔不等式实验验证，同时排出定域性漏洞和测量漏洞。

澎湃科技：诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbck说“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”。如何理解这句话？

金贤敏：量子纠缠是一个很神奇的现象，纠缠对中的一个粒子发生的情况决定了另一个粒子会发生什么，即使它们相距很远。很长一段时间以来，学界的争论在于相关性是否是因为纠缠对中的粒子包含隐藏的变量，这些指令告诉它们在实验中应该给出哪个结果。在20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔发展了以他的名字命名的数学不等式。这说明，如果存在隐藏变量，则大量测量结果之间的相关性永远不会超过某个值。然而，量子力学预测，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比本来可能更强的相关性。

在纠缠量子态中，即使两个粒子分离，它们也表现得像一个单独的单元。2022年物理诺贝尔奖得主们的研究结果为基于量子信息的新技术扫清了道路。

薛鹏：纠缠是量子信息里最重要也最基础的一个单元，像现在我们所涉及到的量子保密通信，量子通信、量子计算等等，它们的基础都建在量子纠缠之上。正是因为量子纠缠的独特的性质——量子的非局域性，它才能有完全超越经典物理的一些功能。其次，它还提供了量子纠缠光源大规模制备及高亮度量子纠缠光源制备的方式，而且可以证实量子纠缠光源的有效性。

武愕：以纠缠光子验证贝尔不等式不成立不仅是对量子力学基本问题的解答，更重要的是开启了纠缠态在量子通信、量子精密测量中的应用。

尹璋琦：量子信息技术的理论基础几乎都基于量子非局域性或量子纠缠，全量子网络和量子计算机跟量子纠缠有深刻的联系。这也意味着，他们的工作为基于量子信息的新技术扫清了障碍，有利于未来全量子网络和量子计算机的发展。

澎湃科技：在光子纠缠实验研究方面，他们克服了怎样的难点？

金贤敏：三位科学家早在2010年“因其在量子物理学基础上的基本概念和实验贡献，特别是一系列日益复杂的贝尔不等式测试，而获得沃尔夫奖（Wolf Prize）”。今年的诺奖“以表彰他们对纠缠光子进行的实验，证明了对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。具体而言：

Alain Aspect：做博士论文的课题时，他带领团队进行的实验证实了贝尔定理的正确性，表明爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的论文的 “荒谬”，也就是当两个粒子分开任意大的距离时，“远距离的幽灵作用”，在现实中似乎已经实现了：两个粒子的波函数之间的相关性仍然存在，因为它们曾经是相同波函数的一部分，而在测量其中一个粒子之前是没有受到干扰的。

John Clauser：他读到了著名的EPR佯谬的论文以及玻姆（Bohm）关于“隐藏变量”的论文。1967年，他进一步读到了贝尔的论文。他意识到，可以用实验来检验贝尔的定理。中间遇到很多困难，但一直在坚持这个方向的研究，最终与在伯克利的Charlie Townes合作进行试验，这个实验实现了令爱因斯坦当初感到烦恼的鬼魅般的远距离作用。

安东·塞林格开展了更多证明贝尔不等式不成立的实验。他把激光打在特定的晶体上来产生纠缠的光子对，在测量中使用随机参数。他的研究小组证明了量子隐形传态现象，量子态可以从一个粒子转移到远处的另一个粒子上。Anton Zeilinger：他以纠缠方面的实验和理论工作而闻名，最著名的是多粒子纠缠态的实现、量子隐形传态、量子通信和密码学、光子量子计算等。1997年，他和同事首次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。

武愕：光子纠缠的实验发展受限于很多实验技术与实验仪器，在早期的实验中，由于纠缠光子对产生效率低，光子探测效率低，光子探测噪声大，很难将有效的光子信息读取出来，因此光子的量子特性很难呈现在大家面前。这三位科学家经过巧妙的设计实验，发展了不同的纠缠光子对产生方法，克服种种不利条件，尽可能不断贴近理论设想，在实验上验证了贝尔不等式的不成立。

薛鹏：第一是光源上的难点。因为纠缠光子对或纠缠离子对一定会违背不等式，如何找到和制备出这样的粒子，这是有难度的。制备出来以后，如何去堵上实验漏洞，比如关联的局域性的漏洞，能不能让它们相隔很远，这也是实验的难点。同时，他们的实验验证本身就是具有开创性的。

澎湃科技：具体来说，这三位科学家有哪些标志性的工作成果？

薛鹏：安东·塞林格（Anton Zeilinger）在1997年完成了量子隐形传态的原理性实验验证工作，首次用实验实现了量子隐形传态。这篇论文发表于《自然》，入选了历史上100篇最有影响力的文章。

约翰·克劳泽（John Clauser）在还是哥伦比亚大学研究生时，和Michael Horne、Abner Shimony及Richard Holt一起，通过现在被称为Clauser - horn - Shimony - Holt (CHSH)不等式，将贝尔1964年的数学定理转化为一个非常具体的实验预测。

此后约翰·克劳泽和研究生Stuart Freedman一起，第一次用实验证明了两个相距很远的粒子可以纠缠在一起。John Clauser继续进行了另外三个实验，以测试量子力学和纠缠的基础，每个新的实验都证实和扩展了他的结果。Freedman–Clauser实验是对CHSH不等式的第一个检验，它已经在世界各地的实验室进行了数百次的实验测试，以证实量子纠缠的真实性。

武愕：第一，阿兰·阿斯佩第一次在精确的意义上实验上验证了贝尔不等式不成立，证明了量子理论的正确性。第二，阿兰·阿斯佩第一次在实验上实现了单光子的干涉实验，验证单光子的波粒二象性。第三，阿兰·阿斯佩第一次在实验上比较了费米子和玻色子的二阶关联。

纠缠粒子对中的一个粒子的状态，决定了另一个粒子的状态，即使这两个粒子相距很远。澎湃科技：在量子信息领域，目前最关注的核心问题是什么？

金贤敏：量子信息主要包含量子计算、量子通信和量子精密测量三个方向。由量子力学研究和刻画微观粒子的结构、性质及其相互作用，与信息论共同奠定了信息获取、处理和传输技术发展和应用的基础，成为连接物质、能量和信息等基本要素的桥梁与纽带。

这三个方向中量子计算最有潜力，正在成为新一轮技术革命的核心科技力量。量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，可提供指数级加速，实现突破经典计算极限的算力飞跃。与传统计算机相比，量子计算具有超高算力、并行计算、可逆计算等特点。可应用在人工智能、电信网络、航空航天、金融科技等领域。量子计算算法和应用不断拓展，有可能率先在量子化学、组合优化、复杂网络排序等方面获得突破。

薛鹏：肯定是量子计算，量子计算是一个相对来说比较遥远的方向，最难也最有意义。除此之外，像量子保密通信及量子精密测量等都应用到了量子纠缠的特性，量子纠缠也是我们比较关心的问题，有可能产生一些改变人类生产生活方式的应用。

武愕：目前量子信息领域中的核心问题有几个方面：量子通信，量子模拟，量子传感，量子计算。

澎湃科技：您觉得距离实现真正的量子计算机，还有哪些核心科学问题需要解决？

金贤敏：近年来，量子计算硬件物理平台各类技术路线的比特数及量子体积等指标频创新高，但仍处在并行发展阶段，并未出现技术路线收敛的趋势。目前国际公认的三大主流方向：超导、离子阱、光量子。其中超导量子计算机的运行环境需要近乎绝对零度，对温度有很高的要求，离子阱量子计算需要超高真空和一定的低温环境。实现通用量子计算机有三个前提——百万量子比特的操纵能力、低环境要求、高集成度。而光量子路径是唯一能够满足这些条件的技术体系，是通向大规模通用量子计算的最可行路径。

薛鹏：首先是大规模量子纠缠制备。除此之外，要真正做量子计算可能需要让多个粒子都处在一个纠缠态上，即如何制备多粒子纠缠。此外，还要保持它的相干特性，让它的寿命变得很长。因为量子的所有特性都基于它的叠加特性，如果有一个外界的干扰，或者说噪声，把它的相干性消除了，那么它就会失去量子纠缠的特性不能够应用到量子计算。所以说它非常难得，又非常容易被破坏。

武愕：距离实现通用的量子计算机，目前需要解决的核心的科学问题还是要实现量子比特的大规模化制备与操控。

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爱因斯坦错了？2022诺贝尔物理学奖揭晓！获得者曾在书中这样说

作者：湛庐文化

发布时间：2022-10-05 19:30

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2022年诺贝尔物理学奖获得者：

·法国物理学家阿兰·阿斯佩Alain Aspect

·美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽John F. Clauser

·奥地利物理学家安东·蔡林格Anton Zeilinger

北京时间10月4日下午，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽和奥地利物理学家安东·蔡林格，以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献：

他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了量子信息这一学科。或许我们也可以说，他们成功证明了爱因斯坦是错的。

约翰·克劳泽使用了钙原子。他用一种特殊的光照射钙原子之后，可以发射纠缠光子。他在两侧用滤光片测量光子的偏振。经过一系列测量，他证明它们违反了贝尔不等式。来源：《环球科学》

阿兰·阿斯佩开发了这个实验，通过一种新的激发原子的方法，使它们以更高的速率发射纠缠光子。他还可以在不同的设置之间切换，这样系统就不会包含任何可能影响结果的预先信息。来源：《环球科学》

安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多测试。他通过将激光照射在特殊晶体上来制备纠缠光子对，并使用随机数切换测量设置。一项实验使用来自遥远星系的信号来控制滤光片并确保信号不会相互影响。来源：《环球科学》

在湛庐策划出版的《那些最重要的科学新发现》一书中，本届诺奖物理学奖得主之一安东·蔡林格就曾发表过一篇文章（见下文），简要提到了其领域的研究路径，量子纠缠以及“爱因斯坦的错误”，当然还有这位物理学家对研究成果的坚定期盼。

QUANTUM ENTANGLEMENT IS INDEPENDENT OF SPACE AND TIME

独立于时空的量子纠缠

安东·蔡林格——摘自《那些最重要的科学新发现》

量子纠缠的观点（被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”）大大地改变了我们对世界的理解。最近的实验证明，两个处于纠缠状态的粒子的量子相关性比所有经典物理学理论所允许的都要大。实际上，量子物理学至少在80年前就预测到了这样的结果。然而，那又如何？

关键的问题在于，量子力学的预测与独立测量的时空无关：与粒子之间的距离完全无关，与粒子的测量顺序也无关。纠缠系统中的所有粒子均保持着完全的相关性，即使这些相关性不能通过测量之前系统具有的属性来解释。因此，量子力学很大程度上违背了关于时空的物理学理论，我们应当从概念上重新思考时空的基本属性。

假设有一个相互纠缠的系统集合，这个集合可能是两个光子，也可能是任意数量的光子、电子或原子，甚至是更大的系统，比如低温的原子云或超导电路等。接下来，我们需要对这些系统进行独立的测量。关键的问题在于，对于处于最大纠缠状态的粒子而言，量子力学预测到，粒子的纠缠属性具有随机性，就光子而言，可能是极化的状态。

也就是说，对于两个或多个处于最大纠缠状态的光子来说，实验中观察到的极化可能是任意状态的：水平的、垂直的、线性的（任意方向）、顺时针旋转的、逆时针旋转的、任意椭圆的。因此，如果进行测量，我们将会观察到随机的极化。对于纠缠系统中的每一个单独的光子来说，也是如此。不过，最大纠缠状态预测到：构成纠缠状态的光子的极化之间存在相关性。

我认为，关于量子纠缠，最重要的结论是，粒子（如光子、电子或原子）或者更大的系统（如超导电路）之间的相关性与先测量哪些粒子或部分，以及相隔的距离无关。

初看之下，这可能没有什么好惊讶的，比如，当我们测量周围山峰的高度时，无论先测量哪一座，比如远处的或者近处的，都不会对测量结果产生影响，量子纠缠系统也是如此。然而，关键的问题在于，先测量任意一个与其他系统缠绕的系统都将会立刻改变所有纠缠系统的共同量子状态，接下来测量其他系统也会产生同样的效应。结果便是，所有相互纠缠的系统的所有测量结果都将完全相关。

此外，如同近期的实验最终证明的那样，这无法通过任何受爱因斯坦“光速最快理论”限制的通信加以解释。有人也许认为，如果运用以下这种方法进行两次测量，结果会有所不同：先测量一个粒子，然后这个粒子发送一个信号给第二个粒子，告诉第二个粒子该如何做；或者粒子被置于某种距离，两个粒子的测量同步进行，以至信号来不及告诉第二个粒子该如何做。因此，从测量相互纠缠的粒子的属性这一点来看，量子物理学无视了空间和时间。

从信息的角度来看，这种解释是可行的，信息带来了获取知识的可能性。然而，量子纠缠描述了这样一种场景：对于单独的测量来说，不存在信息；对于可能进行的测量来说，存在关于测量结果的可能相关性的信息。前者说明量子具有随机性，后者说明量子存在纠缠，两者都对关于因果联系的传统观念产生重大影响。

量子的这种特性将对时空的概念产生何种影响还有待观察。时空本身不能脱离或超越这些思考。

我认为，我们需要对时空进行全新的深层次分析，一种类似于维也纳物理学家恩斯特·马赫（Ernst Mach）曾完成的分析，他将牛顿“绝对空间”和“绝对时间”的概念踢下了王座。希望我们最终能形成类似于爱因斯坦相对论所体现的全新物理学。

1.《那些最重要的科学新发现》

你认为当前最重要的科学新发现是什么？

在这本引人入胜的书中，包括诺奖得主安东·蔡林格在内，Edge创始人约翰·布罗克曼携手哲学家与心理学家史蒂芬·平克、天体物理学家李·斯莫林；宇宙学家保罗·戴维斯；社会学家尼古拉斯·克里斯塔基斯；教育学家霍华德·加德纳；未来学家凯文·凯利;基因编辑先驱乔治·丘奇，以及艺术家、发明家、企业家等多个领域的186位思想家，给你带来一场拓展科学思维的大思考。

一个人的格局和视野取决于他思考什么样的问题，而他未来的思考，在很大程度上取决于他现在的阅读。这本书会让你相信，在生活的苟且之外，的确有一群伟大的头脑在充满诗意的远方运转。

2.《量子力学的真相》

量子力学“横行”的时代，如何解决相对论时代未解决的问题，李·斯莫林完成爱因斯坦尚未完成的科学革命，用优美诗意的文字唤醒你对科学世界的好奇心，带你超越量子力学，抵达科学的最前沿。

在本书中，斯莫林教授用3幕故事带领我们走进量子力学的世界，了解那些自量子力学诞生以来就一直困扰着人们的概念问题和严重分歧。

第1幕：他会讲述我们在探究量子力学发展轨迹时所需的基本的量子力学概念。

第2幕：他将带我们追溯了从 20 世纪 50 年代开始的现实主义量子力学方法的复兴，并且阐述它们的优缺点。斯莫林认为：正确且完备的量子力学理论不仅能够解决量子引力的问题，还能给出一套完整的宇宙学理论。

第3幕：斯莫林将介绍包括自己在内的当代物理学家为构建现实主义的万物理论所付出的努力。

3.《李·斯莫林讲量子引力》

这本书要讨论的问题是物理学所有问题中最简单的一个：“什么是时间和空间？”然而，这个问题也是最难回答的问题之一。科学的进步可以用理论的革新来衡量，因为革新总会产生新的理论解释。我们现在就正处于这样一场革新之中，若干关于空间和时间的新思考、新观念已经涌现出来。

作者表示，写这本书的目的就是希望能用通俗易懂的语言来传递这些新观念，使任何有兴趣的读者都能了解这些令人激动的科学新发展。

围绕“时间和空间的本质是什么”以及“观察者与他们观察到的系统有着怎样的关系”两个问题，李·斯莫林介绍了目前宇宙学研究领域对于量子引力理论的三条主要研究路径：相对论（产生了圈量子引力理论）、量子理论（产生了弦理论）和从基本原理出现形成新的理论（黑洞热力学）。

在本书中，李·斯莫林还讲述了科学发现背后的迷人故事，风格独特、笔触清晰，直击宇宙深层问题，让我们得以预见量子引力理论令人瞩目的未来发展。

4.《神秘的量子生命》

在整个科学领域，量子力学是最具影响力的重要理论。没有量子力学，我们就无法解释世界是如何运转的。

比如：知更鸟长途迁徙时是如何通过微弱的地球磁场感知方向的？小丑鱼是如何找到回家之路的？光合作用中能量的传递效率为什么那么高？对所有这些问题的解答，都离不开量子力学，离不开量子隧穿、量子相干性和量子纠缠。

酶促反应，光合作用，嗅觉，鸟类的磁感应，基因的复制，心智之谜，生命的起源，这种种现象都与神秘的量子世界有关。物理世界有三个层次：第一层是宏观世界，遵循牛顿运动力学法则；第二层次是热力学世界，遵循热力学法则；最深的第三层是量子世界，在这个维度里，原子、分子以及组成它们的所有成分粒子都遵循精确而有序的量子规则。

本书对生命中的量子现象给出了最清晰的解释。量子世界中的微观事件，可以影响中等尺度生命体的世界，比如生活中的你、我、他。两位作者以活泼明晰的笔触告诉我们，神秘的量子现象无处不在。

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专访诺奖得主安东·蔡林格：把量子力学推到新的极限

作者：珂珂谈天下

发布时间：2022-10-05 10:43

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文 | 三联生活周刊

*本文为「三联生活周刊」原创内容2018年9月末的一个下午，维也纳的天气微凉。我在维也纳大学物理系见到了著名物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger），并在他的办公室里对他进行了专访。蔡林格教授在量子光学领域可谓大名鼎鼎，多年来他一直在尝试突破量子实验的极限，实现了多个具有开创性意义的实验，拓展了人类对于量子世界的认识。他也因此获得了艾萨克·牛顿奖章（Issac Newton Medal）和沃尔夫奖（Wolf Prize）等荣誉。蔡林格教授也是量子通讯领域的开创者，多年来他操纵处于纠缠状态的光子完成了多个看上去令人不可思议的实验，不仅开创了一个全新的物理学研究领域，更开启了一个具有极高商业前景的潜在市场。而中国著名物理学家潘建伟的博士导师正是蔡林格教授。我在那个时间和蔡林格教授见面并非偶然。我当时正在准备关于即将在10月初宣布的当年诺贝尔奖的报道。选择在前往瑞典之前与蔡林格教授见面，是因为他是我心目中获得诺贝尔物理学奖的热门人物之一。在采访的最后，我询问他是否期待一份诺贝尔奖，蔡林格教授也坦然地给出了回答。终于，在四年之后，蔡林格教授获得了这份物理学界的最高荣誉，可谓当之无愧。文 | 苗千

这个世界是被数学规则所限定的

三联生活周刊：你曾经提到过，当你还是一个小孩子的时候，你被父母拴在了一座塔上，因此你每天只能好奇地四处看着各种东西。

蔡林格：这个故事是真的，但我不是被父母拴在一座塔上，而是在乡下的一个城堡里。这个城堡大约在维也纳西边100公里的位置。因为我爸爸当时在那里做老师，所以我们家都住在那个城堡的二层。我当时喜欢到处看，而我的父母又担心我会掉下去，所以他们就把我拴在了窗户边上。我只能每天花一两个小时的时间坐在窗边——或许是更久的时间吧——只是出于好奇，到处看。

维也纳大学物理学教授安东·蔡林格（视觉中国供图）

三联生活周刊：你现在仍然对一切都还感到好奇吗？

蔡林格：是的，绝对还是这样。我相信，只要观察得足够近，那么一切事物都会是非常有趣的。

三联生活周刊：这是否也是你后来决定成为一个物理学家的原因？

蔡林格：其实我也不知道自己为什么会成为一个物理学家。从童年的时候起，我就希望能够弄清楚所有东西的运转原理，我总是很好奇。我也不是一个工程师类型的人，因为每次我把东西拆开，我总是没法把它装回原样。另一方面，我觉得把东西拆开就可以理解它工作的原理，但是再把它组装成原样其实就学不到什么了。

三联生活周刊：所以说相比于工程师，你更是一个物理学家。

蔡林格：是这样的。在大学时我选择了物理学专业，但我又总是想和现实联系起来。所以在大学时代，我总是在思考我应该更专注于理论还是更专注于实验。正是因为我更希望与现实有所联系，我才选择了实验物理学。

三联生活周刊：你也说过“我研究物理学的主要原因是我喜欢基础性的问题”，那么对你来说，最重要、也最令你困惑的基础性问题是什么呢？

蔡林格：我想对我来说最重要的问题就是，为什么是数学，这样一种在我们大脑中形成的理论，能够如此准确地描述这个世界。这是一个非常有趣的问题，而且我想没有人知道其中的答案。这个世界是被数学规则所限定的，一些规则是概率性的，另一些规则是决定性的，但总是会有各种数学规则出现。这究竟是为什么？数学规则为什么如此准确？

想象一下，人们都会坐飞机，全世界每年要售出20亿～30亿张飞机票。人们乘坐飞机旅行，是因为人们相信那些物理学法则——不仅仅是空气动力学中的伯努利方程，还要运用其他的物理学法则，比如关于飞机引擎的理论等。这些理论真的在起作用！但究竟是为什么呢？

三联生活周刊：那么你是否觉得这个世界的规则归根结底是由某种数学语言书写的呢？尽管我们现在可能还不能理解它。

蔡林格：我想是这样的。

安东·蔡林格

三联生活周刊：你最开始利用中子进行实验，后来又改用光子，这是因为光子更容易操纵吗？

蔡林格：这是个非常好的问题。最开始我利用中子进行实验，同时我也对一些基础性实验感兴趣。之后在大约上世纪七八十年代，我开始对量子纠缠实验感兴趣，于是我开始尝试，是否能够利用中子进行量子纠缠实验。但是我发现即使是在最高的流量中，中子的相空间密度（Phase Space Density）也太低了，不可能进行量子纠缠实验。这种情况可能只有极少数的例外，比如在核弹中（中子的相空间密度会很高），但你可没办法在实验室里进行这种实验！

所以我开始很清楚地认识到，想要进行量子纠缠研究，光子会是一个更好的选择，或者也可以利用原子。所以我开始同时对光子和原子都产生了兴趣。我尝试进行了原子干涉实验、分子干涉实验，现在我们正在利用氦原子进行一种难度非常高的量子纠缠实验。这样的实验将会是对爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），也就是在“EPR论文”中提出的假想态（粒子的位置和动量都处于纠缠态）进行最直接的验证。

对于这样的假想态也有等效实验。人们可以利用光子进行量子纠缠实验，这在数学上等效于粒子的位置和动量都处于纠缠态，但在物理学上这两个实验是不相同的。所以我们试图利用氦原子直接进行量子纠缠实验。只要我确定利用氦原子的量子纠缠实验能够行得通，就像我们利用光子进行很多量子纠缠实验一样，接下来有很多新的实验我们可以利用氦原子进行了。（注：爱因斯坦、波多尔斯基、罗森三位物理学家在1935年共同发表了一篇论文《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗？》，提出了一个假想实验以质疑量子力学的完备性，这篇论文在学术界引发的争议至今仍未平息。这也是物理学界最著名的论文之一。）

三联生活周刊：为了探索量子世界和经典世界之间的界限，你有没有试着利用活细胞进行量子双缝干涉实验？

蔡林格：我从来没有尝试过这样的实验，但是我相信，这样的实验在未来是可以实现的。从根本的原则来说，使用细菌进行双缝干涉实验是可以成功的，当然这也需要纳米工程学的进展。我们需要纳米材料来保护实验过程中的细菌能够存活。这些条件我们都有可能达到。随着纳米技术的进展，这样的量子干涉效应是会被观测到的。

量子世界与经典世界之间并没有界限

三联生活周刊：能否请你用简单的语言介绍一下什么是量子纠缠（Quantum Entanglement）？

蔡林格：对我来说，可以把量子纠缠比喻为同卵双胞胎——具有相同基因的两个人。双胞胎具有完全相同的基因，因此看上去完全一样，所以当我看到其中的一个人，那么我立即就知道了另外一个人的特性也与我看到的这个人完全一样——比如说眼睛的颜色——无论另一个双胞胎身在何处。

如果这是两个处于量子纠缠状态的双胞胎，那么就存在着一个问题：并没有基因可以决定一对处于量子纠缠态的双胞胎的眼睛颜色，它们是不确定的。当我看到其中一个双胞胎的眼睛颜色，我所看到的他的眼睛的颜色是随机的，同时另外一个双胞胎的眼睛也获得了相同的颜色——无论他距离我有多远。

我们通过很多次不同种类的实验明白了，这种量子纠缠现象，没有通过一种所谓的“基因的隐藏属性”来解释，同样也不能通过双胞胎之间存在着某种通信来解释，因为它们之间沟通的“速度”远超光速。因此我们没有办法通过常理，利用日常的语言来解释这种现象，但是我们可以通过数学来解释这种现象，这就是量子力学。所以从这个角度来说，这并不是某种神奇的物理现象，但它确实会挑战我们的日常认知。（注：量子纠缠现象是在微观量子领域存在的一种令人极其费解的自然现象。人类至今没有理解量子纠缠现象的本质，但是已经可以利用量子纠缠进行量子计算方面的研究。）

丹麦科学家、量子力学泰斗尼尔斯·玻尔

三联生活周刊：你是一个喜欢进行哲学思辨的物理学家吗？在量子力学中蕴含的一些哲学思想是否会让你感到苦恼？你是否需要思考在物理学之后所蕴含的哲学问题？

蔡林格：哲学是一个大问题，而量子力学（从物理学的角度来说）是一个完美的理论。我想要理解的问题是，从最基本的逻辑学和哲学原理来考虑，为什么会存在量子力学？

比如说在相对论中，我们对于相对论的基础，也就是相对性原理理解得已经很透彻了。在一个惯性系里，你无法判断自己是处于静止状态还是处于匀速直线运动状态，比如你是静止不动还是坐在一辆匀速行驶的火车里。另一方面，如果有一种力向下拉拽你，你也无法判断自己是处于一个重力场中还是在做加速运动——比如在一个电梯里。（相对论）的基本原理都是非常合理的。我相信，如果在量子力学中也存在类似的基本原理，我们一定会发现它的。

（从哲学的角度来说）对于量子力学的哲学诠释，我并没有什么看法。但是我认为只要我们还不知道量子力学将向什么方向发展，那么对于量子力学有不同的理解就是一件好事，因为这可能给我们带来灵感。我个人倾向于（对于量子力学的）哥本哈根诠释。但是只要还存在其他不同的诠释，你就无法通过实验辨别出其中的区别——当然如果我们可以改变量子力学的形式，事情就会完全不一样了。我之所以最倾向于哥本哈根诠释是因为它使用了最少的概念。它不会假设粒子的位置，也不会假设存在很多不同的宇宙，诸如此类。因此它是最为基础的诠释，也就意味着它最具有开放性。

三联生活周刊：作为一个在维也纳学习和工作的奥地利人，你是否也受到了维也纳学派的影响？

蔡林格：是的。我发现自己不仅受到了维也纳学派的影响，同时也受到了维也纳实证主义态度的影响。关于这一点，我是在1977年的时候才发现的，那一年我去了麻省理工学院，在那里工作了一年时间。我忽然意识到，维也纳的氛围是非常独特的。在维也纳，你可以对一些非常基本的问题发问，同时维也纳的风气也更加哲学化，即使在物理学界也是如此。这真是一种非常独特、非常有趣的环境。

在美国，人们都更加实际。大多数研究量子力学的物理学家和哲学家都是从现实主义角度出发的。有些人认为量子力学的隐藏参量是以某种复杂的形式存在的。这种态度也并无不可，可以说整个美国文化的成功就是建立在从一种实际的角度出发去寻求解决问题的途径。因此从最开始，从美国研究量子力学的开创性人物开始，他们就有一种更实际的态度，这是好事。但是我想在世界的其他一些地方，有另外一种研究理念，这也是一件好事。

三联生活周刊：埃尔温·薛定谔（Erwin Schrdinger）同样来自维也纳，他提出了量子力学的波动性理论，但后来他发生了转变，与爱因斯坦看待量子力学的观念相似，并不相信所谓量子力学的波函数。你是否也受到了薛定谔的影响？

蔡林格：埃尔温·薛定谔是一位非常非常复杂的物理学家。我认为他与爱因斯坦并不一样。如果你去读一下他的书《生命是什么》，就能够在其中了解到他对于世界的哲学看法。他在书里写他认为人类是处于一种物质和意识共存的状态，这与当今大多数物理学家的看法相反。薛定谔还写了一些更加激进的内容，他认为在世界上存在一个整体意识，而我们都是这个整体意识的一部分。这种观点爱因斯坦是绝对不会同意的。

奥地利物理学家埃尔温·薛定谔

三联生活周刊：那么你会把人的意识放在量子力学中一个很特殊的位置上吗？

蔡林格：只有你先告诉我人的意识是什么，我才能回答这个问题。因为我真的不知道。我想其中最关键的部分在于信息。信息与知识不同，它是一种让人获得知识的可能性。所谓的波函数是一种关于量子状态的可能性，可能取得的实验结果的描述，归根结底，这是一种人们获得某种知识的可能性。这需要人的意识参与其中。这为什么需要人类意识的参与？意识的角色为什么如此特殊？这些都是开放性的问题。

三联生活周刊：想要解决这些问题，作为一个实验物理学家，你是否会和哲学家们一起工作？

蔡林格：我曾经邀请过哲学家进行合作。从美国的一个科学基金获得支持之后，我曾经邀请哲学家来实验室访问，而且与哲学家的谈话总是非常有趣。让哲学家参观我们的实验并且给出建议对我们的研究有很大帮助。

三联生活周刊：你完成了很多的量子力学实验，并且把量子力学推进到了一个新的极限。那么你是否观察到在量子世界和日常的所谓经典世界之间存在着某种界限？

蔡林格：两者之间并没有界限。尼尔斯·玻尔有一句名言：所谓的经典物体就是我们能够用日常语言来谈论的对象。当谈到量子对象，玻尔说他没有办法谈论量子对象，因为并没有合适的语言——为什么会这样？这说明了什么？当一个所谓的经典物体变得越来越大，那么它就有越来越大的可能和周围的环境发生相互作用，而每一次相互作用都让（这个物体的）信息向周围的环境流动。所以说你与周围环境的接触越多，你就越有可能显得像是一个“经典物体”。

但是量子世界与经典世界之间并没有一个界限。就像我们利用富勒烯分子进行量子实验，在实验中富勒烯是一个量子物体，而在其他的实验中它又是一种经典物体。通过一个扫描隧道显微镜的观察，你可以知道一个富勒烯分子在哪里，你可以看到它的结构和一切细节，因为你和富勒烯分子之间存在相互作用。因此所谓的量子世界和经典世界并不是固定一成不变的。一个物体属于量子物体还是经典物体，这取决于实验的设置，与周围环境的分隔。你永远无法在两者之间划出一条界限来。

我期待着把量子世界的范围一直向经典世界推进，从非常非常小的单个物体，逐渐发展到越来越大的分子，然后再继续推进。我不知道这其中真正的限制会在哪里，但可以肯定的是，让一只猫呈现出量子态纯粹是幻想了。

三联生活周刊：理查德·费曼曾经说过，没有人理解量子力学。你仍然认为自己也不理解量子力学吗？

蔡林格：我们可以理解的是，我们可以通过量子力学进行一些实验和工作。但是在更深的意义上，我认为正如费曼所说，为什么会出现量子力学，这一点我们都不理解。这与我们对于相对论的理解程度完全不同。费曼也说过，一开始只有少数的几个人理解相对论，但是随后就有越来越多的人理解了它。量子力学则完全不同。或许在未来的某一天我们能够对它有更清晰的认识。

三联生活周刊：在爱因斯坦著名的“EPR论文”中，他提出量子力学是正确的，但可能是不完备的。作为一个量子力学专家，今天你会如何向他解释他提出的“EPR悖论”呢？

蔡林格：我会说，很抱歉，爱因斯坦先生，你的结论是错误的。我的一位同事，著名的美国物理学家迈克尔·霍恩（Mike Horne），多年前在他的博士论文里就证明了，“EPR悖论”中关于隐含变量一定存在的结论是错误的。所以我会直接告诉爱因斯坦，他的结论是错误的。但我不知道他会如何回应。

三联生活周刊：从这个角度来说，你是否抛弃了事物的局域性和因果性？

蔡林格：问题就在于，在某种程度上你不得不抛弃事物的真实性和局域性概念的两者之一，这是非常困难的。我也会非常小心，我不会认为完全抛弃因果性是一个正确的选择。在处理这些问题时人们必须非常小心。但是在某种程度上，你必须抛弃真实性的概念，也就是说在你通过实验来测量物体的某一个特性之前，这项特性并不存在。

也就是说，所谓的实在性概念有一个问题，局域性概念同样也有问题，因为（在量子世界）相互作用的速度远超光速，这（在经典世界中）是不允许的。我的个人观点是我们需要理解，所谓的真实性和局域性问题已经不再重要，这些都是“旧问题”，应该把它们都抛弃掉。

美国物理学家迈克尔·霍恩

中国是量子通信领域的领跑者

三联生活周刊：你现在正试着利用处于纠缠态的光子建造一个安全的通信网络。

蔡林格：这样的量子通信网络已经建成了，（在这个领域）目前中国是领跑者。

三联生活周刊：你首先在维也纳建造了量子通信网络，之后你的学生潘建伟又在中国建造了一套量子通信网络，现在又在利用卫星进行量子通信实验，真是非常了不起的工作。

蔡林格：量子网络已经不是面向未来的技术了。人类用网络来交换信息，而量子通信网络可以保证通信的安全性。人们想要在城市之间通信，比如在不同的大使馆里，就可以建立安全的量子通信网络。这在很多对安全性要求高的通信中都非常有价值。

三联生活周刊：人类会建造出一个全球性的量子通信网络吗？

蔡林格：我相信会建成这样的量子通信网络，而且不会只有一家。中国，可能还有其他国家，包括美国都在建造量子通信网络。以后可能还会有私人企业参与进来。

量子卫星首席科学家潘建伟院士在中国科大量子存储实验室中了解科研情况（摄于2017年4月）（图｜人民视觉）

三联生活周刊：但也有人批评量子通信网络的造价太高，而且容易受到攻击。

蔡林格：如果采用正确的方式建造，那么量子通信网络就只会受到外界的攻击而被打断，造成双方无法通信。但是进行攻击的第三方也无法获得通信信息。我相信在很多场合，信息安全都是非常重要的，而且人们愿意付高价以保障通信安全。一些高度机密的商业谈判，比如在航空公司购买商业航线的谈判中，人们就会希望通信绝对保密，不会被竞争对手知晓本方的出价。所以说，量子通信技术有很大的商业前景，更不用提它的军事价值了！

量子通信网络的发展会像电脑一样，最初只有三四台电脑被用于军事用途，而现在每个房间里几乎都有一台电脑。原因有两个：首先，技术进步了，它可以实现很多人们预想不到的功能；第二个原因就是价格下降了。在量子通信领域也会发生类似的事情。

三联生活周刊：你的研究虽然在本质上相同，但我认为在实验领域却走向了两个相反的方向。一部分实验越来越复杂，花费也越来越大，比如量子卫星实验需要国家级别的投入；而另一个方向则非常简单，例如通过双缝干涉实验来研究微观干涉现象。你更倾向于通过哪一类实验来进行研究？

蔡林格：我仍然对基础问题非常感兴趣。现在一些重要的实验项目涉及实现多离子或多光子的纠缠态等。目前潘建伟实现了最多光子数的纠缠，而世界上第一次实现多于两个光子的纠缠态实验就是在维也纳进行的，当时潘建伟也参与了这个实验。这就是一种非常典型的基础研究。当时世界上没有任何人在实验室里见到过多于两个光子的量子纠缠，而现在这项技术对于量子通信非常重要，这也说明了基础科学研究的重要性。

我一向对基础科学问题感兴趣，当然也和其他的研究者，比如潘建伟，进行过一些应用方面的研究。但我对于发展技术并不是特别感兴趣，对我来说基础问题更有趣。研究量子力学的非局域性，检查不同的理论漏洞，这都是对于量子加密技术是否安全的重要条件。这些问题都非常有趣，也都是开放性的问题。

潘建伟院士（张雷 摄）

三联生活周刊：你做了很多著名的实验，哪一个是你自己最喜欢的？

蔡林格：对我来说，我最喜欢的实验是实现三个粒子和四个粒子的纠缠态。因为这开创了一个全新的科学领域，也开创了一个全新的应用领域，比如量子加密。实现多粒子纠缠态实验是一个让人激动的事情。我们与格林伯格和欧文共同发现了多粒子纠缠可能性。从那个时候开始，我就一直希望能够在实验室里实现这个量子态。这花了我将近10年的时间。

在今天看来实现这个实验很简单，但是在当时没有人知道该怎么做才能让三个或者四个粒子处于纠缠状态。我们在1987年或是1988年发现了“GHZ态”，之后又走了很多的弯路。那个时候我还没有进行光子纠缠实验，我的研究组需要学习量子纠缠，还有相关的技术。在这方面，罗切斯特大学的伦纳德·曼德尔（Leonardo Mandel）给了我们很大的帮助，他给我们很多无私的建议，他总是对我在实验方面的问题毫无保留。我们最终在1994年、1995年，首次实现了“GHZ量子纠缠实验”。

三联生活周刊：当时在全世界有很多实验室都在进行类似的量子实验，你们之间的关系是竞争者还是合作者？

蔡林格：我们之间有些是竞争关系，有些是合作关系，而有些是两者兼备。

三联生活周刊：在物理学界你已经赢得了很多的奖项，你是否期待能够获得诺贝尔奖呢？

蔡林格：对于任何一个物理学家来说，赢得诺贝尔奖都是极高的荣誉。有太多出色的科学家配得上诺贝尔奖，对于诺贝尔委员会来说会很难做出决定。我想我在20年前已经完成了自己最重要的工作，就是多光子纠缠实验——这项实验还有一个副产品就是量子隐态传输实验；我们同样做了一些关于量子门和量子计算的实验——这些就是我最重要的成就了。

我现在仍然在这个领域进行研究，就是因为我真心地喜欢这项工作。虽然名义上我已经退休了，但是我仍然每天都来实验室，这对我来说是最重要的事情。我希望能够引导年轻人对科学感到激动，并且进行一些有趣的研究。

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量子力学再登顶，详细解读2022年物理学诺奖

作者：新浪科技

发布时间：2022-10-04 19:17

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来源：市场资讯

薛鹏 返朴

瑞典当地时间2022年10月4日11时45分（北京时间10月4日17时45分），诺贝尔奖委员会宣布将2022年物理学奖颁给法国物理学家Alain Aspect、美国物理学家John F。 Clauser、奥地利物理学家Anton Zeilinger以表彰“用纠缠光子验证了量子不遵循贝尔不等式，开创了量子信息学”。

诺奖委员会在其官方介绍中称，量子力学现在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。

诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbck说：“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”。

北京计算科学研究中心教授薛鹏提前猜中了今年的获奖者，她向“返朴”表示，这三位获奖者实至名归。下文是薛教授对今年获奖工作的科普介绍。

撰文 | 薛鹏

在2010年，法国的阿兰·艾斯佩特（Alain Aspect）、美国的约翰·柯罗瑟（John Clauser）、和奥地利的安东·吉林哲（Anton Zeilinger）三位物理学家“因其在量子物理学基础上的基本概念和实验贡献，特别是一系列日益复杂的贝尔不等式测试，而获得沃尔夫奖（Wolf Prize）”。

美国物理联合会旗下科普网站Inside Science于2019，2020，2021连续三年预测该三位物理学家奖获得诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦认为量子纠缠这种超距相互作用是不可思议的，违背了狭义相对论。与其在普林斯顿的助手Boris Podolsky 和Nathan Rosen提出一个思想实验，就是著名的EPR佯谬。描述了A、B为自旋1/2的粒子，初始总自旋为零。假设粒子有两种可能的自旋，分别是 |上> 和 |下>，那么，如果粒子A 的自旋为 |上>，粒子 B 的自旋便一定是 |下>，才能保持总体守恒，反之亦然。这时我们说，这两个粒子构成了量子纠缠态。

两个粒子 A 和 B 朝相反方向飞奔，它们相距越来越远，越来越远……。无论相距多远，它们应该永远是 |上>|下> 关联的。两边分别由观察者 Alice 和 Bob 对两个粒子进行测量。根据量子力学的说法，只要Alice 和Bob 还没有进行测量，每一个粒子都应该处于某种叠加态，比如说，|上>、|下> 各为 50% 概率的叠加态。然后，如果 Alice 对 A 进行测量，A 的叠加态便在一瞬间坍缩了，比如，坍缩成了 |上>。现在，问题就来了：既然 Alice 已经测量到 A 为 |上>，因为守恒的缘故，B 就一定要为 |下>。但是，此时的 A 和 B 之间已经相隔非常遥远，比如说几万光年吧，按照量子力学的理论，B 也应该是|上>和|下>各一半的概率，为什么它能够做到总是选择|下>呢？除非A 粒子和B粒子之间有某种方式及时地“互通消息”？即使假设它们能够互相感知，那也似乎是一种超距瞬时的信号！而这超距作用又是与相对论中光速不可超越相违背。于是，这就构成了佯谬。

因此他认为量子力学是不完备的，他希望建立一个更普适的局域实在论理论来弥补量子理论的不足，消除超距作用。作为爱因斯坦思想的继承人，玻姆在1952年在引入了 “隐变量”，在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。下面就是要实验验证究竟是量子力学理论正确且完备还是局域隐变量理论正确且完备。

而贝尔定理的实验验证是一个物理实验，旨在测试量子力学理论与局域隐变量理论哪个正确。1964年，John Bell定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2。而用量子力学理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。

贝尔不等式的诞生，宣告了量子力学理论的局域性争议，从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。虽然贝尔作为一个爱因斯坦的追随者，其研究隐变量理论的初衷是要证明量子力学的非局域性有误，可后来所有的实验都表明局域隐变量理论预言有误，而量子理论的预言与实验一致。

1972年，John Clauser和Stuart Freedman在加州大学柏克莱分校完成第一次贝尔定理实验，因存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之间距离太小，不足以说明纠缠的非局域性，结果不具有说服力。

1982年，Alan Aspect等人在巴黎第十一大学改进Clauser和Freedman贝尔定理实验，实验结果违反贝尔定理。

1998年，Anton Zeilinger等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，彻底排除定域性漏洞，实验结果具有决定性。

2015年，荷兰Delft技术大学的Ronald Hanson研究组报道了他们在金刚石色心系统中完成的验证贝尔不等式的实验。要避免局域性漏洞，只需把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的两个实验室。利用纠缠光子对和纠缠交换技术，他们实现了金刚石色心电子之间的纠缠。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒，而完成一次实验的时间为4.18微秒，比光通信时间少90纳秒，因此解决了局域性漏洞。此外，色心的测量效率高达96%，测量漏洞也被堵上了。总之，他们声称实现了无漏洞的验证贝尔不等式的实验，在96%的置信度（2.1个标准差）上支持量子理论，从而证伪了局域的隐变量理论。

2016年，大贝尔实验（the Big Bell Test）展开，并召集到世界各地超过10万名志愿者。在实验中，所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数，在过关游戏中快速随机地按下0或者1，12小时内共持续产生每秒逾1000比特的数据流，全部记录在互联网云端，并被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队，用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验。大贝尔实验相信人类拥有真正的自由意志，通过大量参与者的自由意志，大贝尔实验在更广泛的范围内关闭自由选择漏洞，强烈否定爱因斯坦的定域性原理。

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等待40多年量子力学终获诺奖，顶尖量子科学家这样看

作者：新浪科技

发布时间：2022-10-05 18:12

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来源：第一财经

作者：钱童心

量子力学证明了“世界是随机的，上帝也会掷骰子”。但要证明量子力学是正确的，科学家花了近百年的时间。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔（John Bell）提出著名的贝尔不等式，其精髓是“世界是非定域性的，不可以用局域变量来确定”。不过当时没有人能够解释量子纠缠如何起作用。

在随后的近60年里，大量的科学家通过他们的工作和实验证明了贝尔不等式，其中的三位终于在2022年10月4日获得了诺贝尔物理学奖。他们通过演示和使用纠缠机制为量子信息铺平了道路，这使得从远处操纵粒子甚至传送它们的特性成为可能，也为量子计算机的发展奠定基础。

这一业内看来迟到的表彰对于量子科学领域而言无疑是巨大的好消息，将推动量子信息和量子计算领域快速向前发展。业内对此反响热烈。

奖励为何迟到？

此次获诺贝尔物理学奖的三位科学家之一、法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）告诉记者他的电话铃声不断响起，祝贺从四面八方传来。“我想今后一段时间我应该学会去适应一下。”阿斯佩表示。

阿斯佩的好朋友、日内瓦大学量子密码学专家、ID Quantique联合创始人尼古拉斯·吉森（Nicolas Gisin）教授也第一时间向阿斯佩发去贺电。“很显然，他还没有时间回复。”吉森告诉第一财经记者，“我认为他可能还无法相信自己获奖的事实，这个奖项来得太晚，他可能已不再期待了。”

吉森认为，早在上世纪80年代，量子力学就应该获得诺贝尔奖。“阿斯佩、克劳泽两位科学家的工作都很早期，他们应该在1980年代就与贝尔一起获得诺奖，他们早就应该得到认可；塞林格的到来让量子力学在应用方面开始起飞。”他告诉第一财经记者。

1990年贝尔去世时，去世时年仅62岁，他没有等到诺奖是物理学界的一大遗憾。“贝尔当时试图证明量子力学是不完整的，就像爱因斯坦一样抱着质疑的态度，但他发现了相反的情况！克劳泽也做了这个实验，他一开始假设会发现量子力学是错误的，但他也发现了与他预期相反的结果！”吉森对第一财经记者表示。

量子纠缠是量子物理学中最奇怪的现象。在爱因斯坦看来，宇宙是局部的，两个粒子只有在靠近时才能产生相互影响。如果这种相互作用在很远的距离上也能实现，那就意味着有东西会比光速移动得更快。爱因斯坦认为这是不能让人接受的。

贝尔提出的不等式反驳了爱因斯坦的理论，如果有一个实验违反了这个不等式，它将证明量子物理学的非定域性，从而证明量子纠缠。克劳泽和阿斯佩的工作发现两个相距12米的纠缠光子违反了贝尔不等式，证明了宇宙的非定域性。

吉森认为，诺贝尔奖之所以那么晚才奖励给证明量子力学的科学家，是因为世界上懂得贝尔不等式的人少之又少。“直到今天，仍然只有非常非常少的人理解了贝尔不等式，非定域随机性的想法也是后来才出现的，随机事件可能发生在多个不同的地方仍然非常违反直觉。”吉森说道。

尽管如此，吉森仍然表示，他的同事和好友获得了诺贝尔奖令人欢欣鼓舞。“因为它奖励了一门我非常珍视的学科，证明了该学科得到了认可，尤其是在很少人对这门学科感兴趣并试图理解它的时候。”吉森对第一财经记者说道，“今天，这门科学已经催生了许多正在崛起的技术，我们只是为这个诺贝尔奖来得晚而感到小小的遗憾。”

2012年诺贝尔物理学奖得主、法国量子物理学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）表示：“克劳泽和阿斯佩的实验回答了关于量子物理学非定域性的基本问题，但当时没有人能想象这种特性有哪些实际的应用，直到很久以后，塞林格的实验让量子纠缠的应用变得更加具体，这正是诺贝尔委员会为表彰这一领域所期待看到的进展。”

获奖有何启示？

美国量子物理学家克劳泽在获奖后的采访中透露了早期进行科研的挑战。他说道：“当时我几乎没有任何经费，因为要获得政府经费是非常困难的，他们（政府）会给你设定目标，要求你达成什么样的结果，才能给你提供经费支持。但这是非常荒唐的，在做实验之前，科学家是无法预测实验结果的，这就是我当时遇到的最大的困难。”

1997年，奥地利物理学家成功地传送了“量子粒子态”。他使用两个相距遥远但发生了量子纠缠的粒子，证明了一旦两个粒子进行了这种纠缠，其中一个粒子状态的任何变化都会立即反映在第二个粒子上，即使两个粒子相距达1200公里。

塞林格在获奖后诺贝尔委员会的记者发布会上接受了采访。塞林格表示，凭借量子力学这一“非主流”领域获奖是一个“巨大的认可”，并强调任何科学家都应该有从事“非主流”科研领域的自由，如果不是这样，他的研究工作就不可能实现今天的成就。

塞林格被视为光子间量子信息传输（“量子隐形传态”）的先驱，正是得益于他的工作，量子密码学才有今天的应用，其他的应用还包括制造量子芯片等。

塞林格表示，在他职业生涯早期，经常有人问他为何要从事几乎无人从事的工作。对此，他这样回应：“我可以自豪地说，别人的看法对我没有任何影响，我只是出于好奇才做这些工作。”

塞林格总是鼓励他的学生探究物理学的基本问题。“年轻人应该充分获得科学研究的自由，我相信未来20年，无论是在量子物理基础领域，还是在应用方面，科研都会是绝对开放的。”他表示。

中国科学院院士、中国科学技术大学潘建伟教授在奥地利博士学习期间师从塞林格，他也认为，量子力学早就该获得诺贝尔奖的表彰，并称两个原因推动了诺贝尔委员会在现在这个时间奖励量子力学：一是“墨子号”量子科学卫星的发射，另一个是量子计算优越性的突破。

潘建伟在师从塞林格期间，为导师的获奖做了很多“从0到1”的基础研究工作，而诺贝尔奖也是奖励给“从0到1”突破的原创科学。

一位潘建伟的学生告诉第一财经记者：“量子力学获得诺贝尔奖是众望所归，国内相关领域已经相当繁荣，未来最重要的是看中国能否做出更多原创性的工作，尤其是在量子计算领域，还是有很大的发展空间。”

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