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       以量子計(jì)算和量子通信為代表的第二次量子革命、曾被愛(ài)因斯坦質(zhì)疑的量子糾纏、中國(guó)在全球率先發(fā)射的量子衛(wèi)星……這些都是與剛剛揭曉的2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)的熱門話題。

  瑞典皇家科學(xué)院4日宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們?cè)凇凹m纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開(kāi)創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻(xiàn)。

  量子力學(xué)從上世紀(jì)初誕生以來(lái)，催生了晶體管、激光等重大發(fā)明，這被科學(xué)界稱為第一次量子革命。近來(lái)，以量子計(jì)算和量子通信為代表的第二次量子革命又在興起。瑞典皇家科學(xué)院在諾獎(jiǎng)公報(bào)中說(shuō)，今年三位獲獎(jiǎng)?wù)咴诹孔蛹m纏實(shí)驗(yàn)方面的貢獻(xiàn)，“為當(dāng)前量子技術(shù)領(lǐng)域正發(fā)生的革命奠定了基礎(chǔ)”。

  量子糾纏長(zhǎng)期是量子力學(xué)中最具爭(zhēng)議的問(wèn)題之一。量子糾纏是一種奇怪的量子力學(xué)現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。

  在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，以愛(ài)因斯坦為代表的部分物理學(xué)家對(duì)量子糾纏持懷疑態(tài)度，愛(ài)因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”。他們認(rèn)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(méi)觀察到的相互作用或信息傳遞，也就是“隱變量”。

  20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家約翰·貝爾提出可用來(lái)驗(yàn)證量子力學(xué)的“貝爾不等式”。如果貝爾不等式始終成立，那么量子力學(xué)可能被其他理論替代。

  為了對(duì)貝爾不等式進(jìn)行驗(yàn)證，美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，其中使用特殊的光照射鈣原子，由此發(fā)射糾纏的光子，再使用濾光片來(lái)測(cè)量光子的偏振狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一系列測(cè)量，克勞澤能夠證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，且與量子力學(xué)預(yù)測(cè)相符。

  但這個(gè)實(shí)驗(yàn)具有局限性，原因包括實(shí)驗(yàn)裝置在產(chǎn)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(chǔ)上，法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩設(shè)計(jì)了新版本的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量效果更好。阿斯佩填補(bǔ)了克勞澤實(shí)驗(yàn)的重要漏洞，并提供了一個(gè)非常明確的結(jié)果：量子力學(xué)是正確的，且沒(méi)有“隱變量”。

  奧地利科學(xué)家安東·蔡林格后來(lái)對(duì)貝爾不等式進(jìn)行了更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)使用了來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的信號(hào)來(lái)控制濾波器，確保信號(hào)不會(huì)相互影響，進(jìn)一步證實(shí)了量子力學(xué)的正確性。蔡林格和同事還利用量子糾纏展示了一種稱為量子隱形傳態(tài)的現(xiàn)象，即將量子態(tài)從一個(gè)粒子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子。其團(tuán)隊(duì)還在量子通信等方面有諸多研究進(jìn)展。

  其中一項(xiàng)重要成果就是，2017年中國(guó)與奧地利科學(xué)家借助中國(guó)的“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，成功實(shí)施世界首次量子保密的洲際視頻通話。這也是為什么諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委托爾斯·漢斯·漢森在現(xiàn)場(chǎng)解讀獲獎(jiǎng)成果時(shí)，展示了一張含有中國(guó)量子衛(wèi)星的圖片，其上顯示了中國(guó)和歐洲之間的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)。

  諾獎(jiǎng)官方公報(bào)說(shuō)，世界各地的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多利用量子力學(xué)強(qiáng)大特性的新方法，而這些都得益于今年三位獲獎(jiǎng)?wù)叩呢暙I(xiàn)。他們掃除了貝爾不等式等“攔路虎”，這也是為什么公報(bào)稱贊“他們的結(jié)果為基于量子信息的新技術(shù)掃清了道路”。