2022年诺贝尔物理学奖为何颁给了这三位？

　　2022年诺贝尔物理学奖为何颁给了这三位？

　　“今年诺贝尔物理学奖颁给这三个人，确实毫不意外。”10月4日下午，中科院物理所原研究员、北京凝聚态物理国家研究中心原首席科学家、上海交通大学李政道研究所讲席教授丁洪在接受新京报记者采访时表示，这三位科学家获奖也属于众望所归。

　　北京时间10月4日下午，瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖颁给法国科学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国科学家约翰·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利科学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献。他们将平均分享1000万瑞典克朗（约合人民币647万元）的奖金。

　　丁洪表示，这三位科学家的研究价值主要有两方面，一是证明了量子具有纠缠性，也就是证明量子力学是正确的，这也就证明了爱因斯坦的一个错误；二是他们的开创性实验，为今后量子信息技术尤其是量子通信的发展铺平了道路。

　　获奖者是谁？

　　阿斯佩、克劳泽、蔡林格三人获得诺贝尔物理学奖在许多人的意料之内。主要是因为，三人2010年就曾同获沃尔夫物理学奖，表彰他们在量子纠缠领域的成就，为量子通信和量子计算等量子信息技术建立了基础。

　　12年之后，三位科学家因为其在量子信息科学技术方面的贡献同获诺贝尔物理学奖。

　　诺贝尔物理学奖委员会在10月4日的声明中表示，阿斯佩、克劳泽和蔡林格使用纠缠量子态进行了开创性实验，证实了研究和控制处于纠缠状态的粒子的潜力。这一试验结果为量子信息相关新技术的发展扫清了障碍。

　　现年75岁的阿兰·阿斯佩是法国物理学家、巴黎萨克莱大学和巴黎综合理工学院教授、法国科学院院士，同时也是香港城市大学香港高等研究院高级研究员。

　　据香港城市大学官网介绍，阿斯佩以其揭示量子力学最有趣特性的实验而闻名。1982年，他对纠缠光子的贝尔不等式测试推动解决了爱因斯坦（Albert Einstein）和玻尔（Niels Bohr）之间关于量子力学的争论。

　　约翰·克劳泽1942年12月出生于美国加利福尼亚州，是美国知名实验物理学家和理论物理学家。

　　据他的官网介绍，克劳泽最出名的是他对量子力学基础的贡献，尤其是他提出的克劳泽-霍恩-西蒙尼-霍尔特不等式（CHSH）、第一个通过实验证明非局部量子纠缠的真实性，以及塑造了局部现实主义理论。

　　安东·蔡林格现年77岁，是奥地利量子物理学家、维也纳大学物理学教授、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。

　　据奥地利科学院官网介绍，蔡林格因其对量子物理学基础在概念和实验方面开创性的贡献闻名，尤其是他在量子纠缠领域的实验和理论工作广受认可。

当地时间2022年10月4日，瑞典斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院公布诺贝尔物理学奖得主。图/IC photo

　　证明爱因斯坦错了？

　　量子力学作为一个新兴的理论在上个世纪与其他理论之间有着长期的“交锋”，伟大的物理学家爱因斯坦也曾一度质疑这一理论的合理性。

　　据北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授尹璋琦介绍，1935年，爱因斯坦、波多斯基和罗森三人提出了一个佯谬，指出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。这被称作EPR佯谬，因为三人姓名的首字母分别是E、P、R三个字母。

　　根据量子理论，微观粒子可以处于量子叠加态。比如说电子自旋有向上和向下两种状态，这两种自旋态可以处于任意的叠加态。如果有两个电子，两个电子的自旋态有四种可能：上上、下下、上下和下上。把它们制备到相互纠缠的状态，自旋同时向上和同时向下的叠加态。当测量出一个电子的自旋是向上（向下）的，那么另外一个电子的自旋态就塌缩到向上（向下）的状态，不论电子之间的距离到底有多远。这个塌缩的是瞬时的，传递速度超越了光速。最新的实验表明，这个超距相互作用传递速度至少是光速的一万倍。

　　“就好比一个电子在地球上，一个在月球上，尽管两者距离非常远，但如果对地球电子的自旋进行测量是向上的，则可以知道月亮上的电子自旋也是朝上的。”清华大学物理系教授、北京量子信息科学研究院副院长龙桂鲁告诉新京报记者，在爱因斯坦看来，这种超距相互作用是不可思议的。“现在看来，纠缠是量子力学体系特有的状态，在经典物理中是没有这种状态的。”

　　据尹璋琦介绍，作为爱因斯坦思想的继承人，1952年玻姆在标准量子理论中加入了经典的“隐变量”，把它变为了一个完全决定性的理论。

　　所以，很长一段时间，问题的关键在于搞清楚这种相关性是否是因为纠缠对中的粒子包含隐藏变量，从而“指示”它们在实验中的表现。1960年代，约翰·斯图尔特·贝尔提出了贝尔不等式，指的是如果存在隐藏变量，则大量的测量结果之间的相关性永远不大于2。但量子力学预测某种类型的实验将违反贝尔不等式，最大值可以到2倍的根号2（约等于2.848）。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。

　　此后，本届诺贝尔物理学奖三人分别进行了验证贝尔不等式的实验。

　　1972年，约翰·弗朗西斯·克劳泽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，贝尔不等式得到阿兰·阿斯佩等人验证，量子理论胜出。但这些实验中仍然存在漏洞。1998年，安东·蔡林格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。但是实验用的单光子探测器效率不够高，无法排除测量带来的漏洞。

　　科学家一直在为完成无漏洞贝尔不等式违背的实验而努力。

　　2015年，荷兰代尔夫特大学物理学家罗纳德·汉森(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，同时解决了局域性漏洞与测量漏洞。这个实验也宣告了局域隐变量理论的死刑，量子非局域性是真实的。紧接着，美国Sae Woo Nam等人、奥地利的安东·蔡林格研究组也分别完成了无漏洞贝尔不等式违背的实验。

　　“简单来说，今年诺奖三位科学家证明了量子具有纠缠性，某种程度上来说也就是证明了爱因斯坦的一个错误，因为他是反对这一点的。”丁洪表示，“几位科学家上世纪七八十年代就完成了基本的实验，但到今年才基本全部完成验证。”

　　这项研究的价值在哪儿？

　　尹璋琦称，无漏洞的贝尔不等式验证实验，为未来量子密钥分发技术提供了技术储备。清华大学物理系教授、北京量子信息科学研究院副院长龙桂鲁称，此次获得诺奖的三人于2010年获得沃尔夫奖，此前也是诺奖的热门人选。

　　“这三位科学家对量子纠缠的研究，最大的现实应用价值就在于推动现代量子信息技术的发展，尤其是量子通信和量子计算。”丁洪对新京报记者解释道。

　　诺贝尔奖官网介绍称，当前，量子力学逐渐开始得到应用，关于量子计算机、量子网络、量子加密通信的研究越来越得到重视。

　　推进量子信息技术发展的一个关键影响因素就是，量子力学如何允许两个或多个粒子以纠缠状态存在——因为纠缠对中一个粒子的状态会决定另一个粒子的状态，即使它们相距非常遥远。

　　他进一步指出，从具体应用来看，这三位科学家通过开创性的实验证明，量子纠缠具有非定域性，也就是说量子纠缠可以在很远的距离进行超光速的传输，利用这一点，人们可以开展量子通信和量子密码的研究。

　　诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔贝克表示，“越来越清楚的是，一种新的量子技术正在出现。我们可以看到，获奖者对纠缠态方面的研究非常重要，甚至超出了关于量子力学解释的基本问题。”

　　目前，研究人员正在推动相关技术的研发，以利用单个粒子系统的特殊特性来构建量子计算机、改进测量、建立量子网络并发展安全的量子加密通信。

图片来自诺贝尔奖官网

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　　诺贝尔物理学奖小知识

　　诺贝尔物理学奖是阿尔弗雷德·诺贝尔在其遗嘱中提到的第一个奖项。从1901年至2021年，诺贝尔物理学奖已颁发过115次，其中47次授予单一获奖者，32次由两位获奖者分享，36次由三位获奖者分享。

　　截至2021年，共有219位诺贝尔奖物理学奖获得者。其中，美国科学家约翰·巴丁是唯一曾在1956年和1972年两次获得诺贝尔物理学奖的获奖者，这意味着共有218人曾获得诺贝尔物理学奖。

　　最年轻的诺贝尔物理学奖得主是劳伦斯·布拉格，他1915年和父亲亨利·布拉格共同获奖时年仅25岁。最年长的诺贝尔物理学奖得主是亚瑟·阿斯金，他2018年获奖时已96岁。

　　在诺贝尔六大奖项中，物理学奖是女性获奖人次第二少的奖项，只多于仅有2名女性获奖的诺贝尔经济学奖。截至2021年，共有4名女性曾获得诺贝尔物理学奖，分别是玛丽·居里（1903年获奖，1911年获诺贝尔化学奖）、玛丽亚·梅耶（1963年获奖）、唐娜·斯特里克兰（2018年获奖）、安德烈娅·盖兹（2020年获奖）。

　　据人民网(603000)报道，诺贝尔物理学奖主要集中四个领域：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、原子分子及光物理。但2021年的诺贝尔物理学奖首次颁给了气候学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），以表彰其在“地球气候建模、量化气候变化以及对全球变暖的可靠预测”方面的贡献；乔治·帕里西（Giorgio Parisi）因“在从原子到行星尺度的物理系统中发现了无序和涨落的相互作用”同获当年奖项。

　　新京报记者 谢莲 张璐