在瑞典斯德哥尔摩举行的2022年诺贝尔物理学奖公布现场，屏幕上显示奖项得主阿兰·阿斯佩（左）、约翰·克劳泽（中）和安东·塞林格的照片。 新华社记者 任鹏飞 摄
2022年诺贝尔物理学奖“花落”量子力学。昨天，瑞典皇家科学院宣布，将诺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·克劳泽和奥地利物理学家安东·塞林格，以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。
正是因为这三位科学家的实验验证，证明了贝尔不等式在量子世界中并不成立，才开创了量子信息这一全新的研究领域，并使得今天的量子计算机、量子通信等成为一个有着巨大潜力的研究和产业领域。
为学界津津乐道的是，今年的新晋诺奖得主塞林格是中国科学院外籍院士，同时他也是中国量子信息与量子计算的领军人物、中科院院士潘建伟在奥地利留学时期的博士生导师。
他们的研究为量子信息技术发展奠基
“这三位科学家验证了量子纠缠这一基础理论，在验证的过程中也同时推动了以量子计算、量子通信等为代表的量子信息技术。”上海交通大学教授金贤敏在读博期间，就在潘建伟教授的指导下，负责在长城附近完成了当时最远距离的量子隐形传态实验，验证了基于卫星的全球化量子通信的可行性。
“可以说，因为他们的成就，量子计算机、量子通信、量子精密测量等量子信息技术，有望成为具有重大变革性的新一代信息技术，且已成为很重要的研究领域。”
金贤敏解释，量子信息技术发展的关键是对量子态的精确操控，而量子纠缠的验证正是有效推动了人类对两体以上量子态的操控能力。
按照量子力学，允许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的两个粒子在相距很远的情况下，一个粒子的状态决定了，那么另一个粒子的状态也立即决定。量子纠缠概念最早由爱因斯坦提出，但量子纠缠是否存在，以及究竟是在局域还是广域有效，这是一个在物理世界存在了百年的争论。
阿斯佩、克劳泽和塞林格各自使用“两个或两个以上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，验证贝尔不等式在量子世界不成立，证明了量子纠缠的假想是存在的，并且是广域的。
复旦大学物理学系教授李晓鹏告诉记者，这三位科学家的突出贡献，是解决了量子信息科学核心的基础问题，“在历史上，量子力学是否是这个微观物理世界唯一的描述形式，一直存在争议。而他们三位的实验验证，就是确定了量子力学的正确性。”
“量子力学是整个科学的奠基，物理学、化学、半导体、生物学、材料学等学科的底层理论都已经是量子力学。三位获得者的工作，论证了量子纠缠的存在，验证了非局域是正确的。他们的实验结果为基于量子信息的新技术奠定了基础。”金贤敏说，也正是因为要证明这个基础理论，要操纵量子态，要发展单量子态、多量子态等技术，实际上也推动了以量子计算为代表的量子信息技术，量子计算使得算力指数级增加，有望在后摩尔时代继续提升人类的算力。
中国的量子科学技术受到关注
此次诺奖委员会在颁出诺奖物理学奖时，专门提到了中国的潘建伟团队。而据物理学界多位接受采访的学者称，中国的量子科学技术应该是“为数不多的实现并跑、甚至在某些方面可以领跑的科学研究领域”。
据诺奖委员会介绍，量子技术的一个重要目标是能够在非常大的范围内分配纠缠距离，以便传递量子信息。最简单的方法是使用光学，但问题在于光会衰减。在经典通信网络中，可以通过光纤链路放大器解决，但在量子态，一个解决方案是利用卫星通过太空发送信号以避免损失。人们可以在很远的距离上建立量子纠缠。而潘建伟小组在2016年发射第一颗量子通信卫星“墨子号”时就使用了这一技术，并且其后与塞林格小组合作，使用同一颗卫星在中国和奥地利之间实现了量子纠缠。
在上海高校，量子科学的研究也有各自的特点，比如更聚焦材料、量子计算等相关技术。
“三位获奖者的工作验证了量子纠缠，表明大规模的量子比特计算系统超越经典计算力的可能性。”李晓鹏主要从事量子算法研究和量子编码方案研究。他说，量子计算机和经典计算机一样，在完成计算任务的时候同样需要算法。一个可编程的量子器件就是一个量子计算机的雏形，如何用可编程的量子器件去解决一些科学问题或应用问题，都需要算法的推进。
有预测显示，未来10到20年内，一批专用量子模拟系统将可用于材料制备等科研工作，大幅提升这些领域的科研效率。
作者：姜澎
编辑：钱亦琛
