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2023-01-31
潘建偉導(dǎo)師獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)！致辭提及4篇論文都有中國科學(xué)家參與
更新時(shí)間：2022-10-06 14:06:56作者：智慧百科
新智元報(bào)道
編輯：拉燕 桃子
【新智元導(dǎo)讀】2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了來自法美奧的3位物理學(xué)家。他們通過研究證明了愛因斯坦的質(zhì)疑是錯(cuò)誤的，為量子信息學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
遇事不決，量子力學(xué)。
不負(fù)眾望，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了量子力學(xué)！
昨天下午，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布將2022年物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給法國物理學(xué)家Alain Aspect、美國物理學(xué)家John F. Clauser，以及奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger。
表彰他們「通過光子糾纏實(shí)驗(yàn)，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創(chuàng)了量子信息科學(xué)」。
其實(shí)在2010年，這三位科學(xué)家已經(jīng)獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰他們在量子糾纏領(lǐng)域的成就。
值得一提的是，其中一位還是中國「量子力學(xué)之父」潘建偉的導(dǎo)師。
是愛因斯坦錯(cuò)了
在了解以上三位科學(xué)家在量子領(lǐng)域的具體貢獻(xiàn)前，我們需要知道什么是量子糾纏？
是指粒子在由兩個(gè)或兩個(gè)以上粒子組成系統(tǒng)中相互影響的現(xiàn)象，即使相距遙遠(yuǎn)，一個(gè)粒子的行為也會(huì)影響另一個(gè)的狀態(tài)。
當(dāng)其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態(tài)發(fā)生變化，另一顆也會(huì)即刻發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)變化。
當(dāng)時(shí)，愛因斯坦一直是量子力學(xué)的反對者，并且將這種跨越空間的、瞬間影響雙方的量子糾纏稱為「鬼魅的超距作用」（spooky action at a distance)。
他還曾說，「我相信上帝不擲骰子」。
然而，剛剛拿獎(jiǎng)的三位物理學(xué)家的成功證明愛因斯坦錯(cuò)了。
1935年，愛因斯坦便和另外2個(gè)物理學(xué)家鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）寫了一篇著名的論文Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete？。
論文中，他們提出了一個(gè)原理質(zhì)疑了量子力學(xué)的完備性：
即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速，也就是說量子糾纏超距作用違反了定域性原理。
后來，人們將他們的論證稱為EPR悖論，或者愛因斯坦定域?qū)嵲谡摗?/p>
這里要明確的是，EPR論證并沒有質(zhì)疑量子力學(xué)的正確性，它質(zhì)疑的是量子力學(xué)的不完備性。
很快，這篇論文在量子力學(xué)界掀起一陣強(qiáng)風(fēng)巨浪。然而，EPR悖論設(shè)計(jì)的是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，在當(dāng)時(shí)是很難用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果去反駁。
直到1964年，貝爾不等式的提出為所有人進(jìn)行隱變量理論提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。換言之，只要證明了這個(gè)不等式在量子世界中不成立，那么愛因斯坦就是錯(cuò)的。
此后，科學(xué)家們做了很多實(shí)驗(yàn)。
第一個(gè)便是1972年由John F. Clauser進(jìn)行的，然后哈佛以及德州農(nóng)工大學(xué)研究人員也相繼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)中，Clauser建造了一個(gè)精巧的儀器，通過將激光照射在特殊晶體上來創(chuàng)建糾纏的光子對，最后通過實(shí)驗(yàn)證明了一個(gè)明顯違背貝爾不等式的結(jié)果。
但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)存在一些漏洞。最基本的漏洞便是「定域性漏洞」（locality loopholes）。
好在十年之后，還在讀博的Alain Aspect帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)在修復(fù)漏洞后，彌補(bǔ)了這一局限性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)：貝爾不等式在量子世界不成立。
此后，許多物理學(xué)家都重復(fù)Aspect的實(shí)驗(yàn)，并且運(yùn)用更新的手段，使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮絹碓娇拷鼝垡蛩固巩?dāng)年那個(gè)最原始的EPR設(shè)想。
但真正將量子糾纏從理論推向應(yīng)用最重要的一個(gè)人物便是Anton Zeilinger。
除了通過實(shí)驗(yàn)證明貝爾不等式，他還發(fā)現(xiàn)了糾纏的量子態(tài)具有存儲(chǔ)、傳輸和處理信息的潛力。
1997年，他和小組團(tuán)隊(duì)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作。
量子隱形傳態(tài)就是將未知量子態(tài)從一個(gè)粒子傳遞到另一個(gè)粒子的方式，而這過程不需要傳遞粒子本身。
就這樣，一代代科學(xué)家們歷經(jīng)數(shù)十年用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了量子糾纏是存在的。
這也說明了，愛因斯坦的質(zhì)疑是錯(cuò)誤的。
中國「量子力學(xué)之父」導(dǎo)師
可以說，三位科學(xué)家是量子信息領(lǐng)域的第一代開創(chuàng)者。
而其中一位，奧地利物理學(xué)家Anton Zeilinger不僅是中國科大潘建偉院士的導(dǎo)師，還是中國科學(xué)院外籍院士。
至今，Zeilinger教授已經(jīng)發(fā)表了538篇，共被引用76000余次。他在理論和實(shí)驗(yàn)上對量子物理基礎(chǔ)檢驗(yàn)做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)：
在國際上率先開展中子、原子、大分子的量子干涉實(shí)驗(yàn)；
實(shí)現(xiàn)了無局域性漏洞、無探測效率漏洞的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)；
提出并在實(shí)驗(yàn)中制備首個(gè)多粒子糾纏態(tài)（GHZ態(tài)），在量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)和量子信息中起著關(guān)鍵作用。
而最值得一提的是，潘建偉是Zeilinger帶過的一個(gè)中國博士生。
科技日報(bào)對潘建偉采訪中，他稱，
一方面，量子科技領(lǐng)域得到了肯定；另一方面，頒獎(jiǎng)委員會(huì)在介紹獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ鲿r(shí)，提到了很多中國科學(xué)家所做的工作。我們覺得，為了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，中國科學(xué)家也作出了杰出貢獻(xiàn)。
據(jù)《知識(shí)分子》對潘建偉的專訪。
除了Zeilinger那篇理論文章之外，其他有Zeilinger名字的4篇量子通信實(shí)驗(yàn)文章都有自己的名字，不是第一作者，就是第二作者。
此外，他后續(xù)還提到三篇文章，是中科大「墨子號」之后，中國的科學(xué)家做出來的一些相關(guān)的工作。
也就是說，潘建偉團(tuán)隊(duì)一共7項(xiàng)工作，在諾獎(jiǎng)致辭里提到了前4項(xiàng)。
對于導(dǎo)師和自己的關(guān)系，潘建偉稱是師生，又是競爭者，也是合作者。
值得一提的是，Zeilinger還積極推動(dòng)中奧國際學(xué)術(shù)交流與合作，還受聘為中國科大、南京大學(xué)、西安交通大學(xué)的名譽(yù)教授。
中國科學(xué)院官網(wǎng)介紹，自1983年起，他與中國科學(xué)院以及中國工程院等機(jī)構(gòu)長期保持著溝通和交流，并與多家單位建立密切合作關(guān)系。
其中，利用「墨子號」量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，他的團(tuán)隊(duì)合作參與了中科院主導(dǎo)的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)，成果入選美國物理學(xué)會(huì)評選的2018年度國際物理學(xué)十大進(jìn)展。
除了專心研究，Zeilinger教授也有很感性的另一面。
他不僅搞笑幽默，愛拉大提琴，還特別喜歡爵士樂和古典音樂。
Zeilinger教授還喜歡研究新奇的小工具，比如當(dāng)他第一次看到計(jì)算器時(shí)，便和一群人整個(gè)下午坐在一起對此進(jìn)行研究。
他還曾在采訪中表示，自己還曾訂購了一臺(tái)iPhone 4。
拿獎(jiǎng)拿到手軟的Aspect
Aspect畢業(yè)于Cachan高等師范學(xué)校，并在Orsay大學(xué)的高等光學(xué)學(xué)院（后來稱為光學(xué)研究所研究生院）獲得碩士學(xué)位。
20世紀(jì)80年代初期，Aspect正寫著博士論文。
當(dāng)時(shí)，他搞了個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)，證明了愛因斯坦、波多爾斯基和羅森對量子力學(xué)的假設(shè)性歸納。
1983年，他于巴黎南方大學(xué)獲得了自己的博士學(xué)位。
后來，在他完成貝爾不等式的研究后，阿斯佩克特轉(zhuǎn)向了中性原子的激光冷卻研究，并主要參與了玻色-愛因斯坦凝聚體的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
2015年，他當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)外籍會(huì)員。他是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)證明量子力學(xué)使可分離的隱變量理論無效的過程中排除測量站之間的潛意識(shí)通信的人，也是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)上證明單光子的波粒二象性的人。
2005年，他再次被授予國家科學(xué)研究中心的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，同時(shí)，他也是該中心的研究主任。
掛科兩次得諾獎(jiǎng)？Clauser值得
而另一位諾獎(jiǎng)得主，Clauser的經(jīng)歷則更為傳奇。
他出生在加利福尼亞州的帕薩迪納，在1964年就獲得了加州理工學(xué)院的物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，之后于1966年獲得物理學(xué)碩士學(xué)位，1969年在哥倫比亞大學(xué)獲得物理學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位，師從帕特里克·薩德斯。
可好玩兒的是，如今Clauser拿獎(jiǎng)的科目，他上大學(xué)的時(shí)候還掛過兩次。
第一次聽說的時(shí)候，小編也是震驚的。
他在哥大上的高等量子力學(xué)連拿兩C，抱憾重修兩次。
而且，更好玩的是，不光考試掛科，他這人本身信仰就出現(xiàn)過問題。
曾經(jīng)有一段時(shí)間，作為一名現(xiàn)實(shí)主義，他堅(jiān)信自己為之奮斗的量子力學(xué)一定得是錯(cuò)的。
不然說不通！
于是，他就走在了推翻量子力學(xué)的大路上。推著推著，拿了一個(gè)諾獎(jiǎng)。
哥大畢業(yè)以后，從1969年到1996年，他主要在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校工作。
1972年，他對CHSH-貝爾定理的預(yù)測進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)測試。
這也是他第一次在實(shí)驗(yàn)中觀察到違反貝爾不等式的情況。
在1974年，他首次觀察到光的亞泊松統(tǒng)計(jì)（通過違反經(jīng)典電磁場的考奇·施瓦茨不等式），從而首次證明了光子的明確的粒子狀特征。
1976年，他對CHSH-貝爾定理的預(yù)測進(jìn)行了世界上第二次實(shí)驗(yàn)測試。
可見，Clauser的研究生涯都是在和量子力學(xué)打交道。
參考資料：
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/popular-information/
本文參考來自知識(shí)分子，文匯網(wǎng)、果殼的內(nèi)容：
https://mp.weixin.qq.com/s/HIpw48XXjq3E_HxzCPMs5g
https://zhuanlan.zhihu.com/p/570631521
https://finance.sina.com.cn/jjxw/2022-10-04/doc-imqmmtha9794786.shtml?cref=cj
https://physicsworld.com/a/anton-zeilinger-a-quantum-pioneer/
https://mp.weixin.qq.com/s/5dgSFDOY7dSWP0Ul6nojng