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三位科学家阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽、安东·蔡林格获2022年诺贝尔物理学奖 其中有中国科学家的贡献

2022-10-05 19:5721300

新华社北京10月4日电 以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命、曾被爱因斯坦质疑的量子纠缠、中国在全球率先发射的量子卫星……这些都是与刚刚揭晓的2022年诺贝尔物理学奖相关的热门话题。

瑞典皇家科学院4日宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格,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”方面所做出的贡献。

10月4日,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·蔡林格的照片。新华社记者 任鹏飞 摄

量子力学从上世纪初诞生以来,催生了晶体管、激光等重大发明,这被科学界称为第一次量子革命。近来,以量子计算和量子通信为代表的第二次量子革命又在兴起。瑞典皇家科学院在诺奖公报中说,今年三位获奖者在量子纠缠实验方面的贡献,“为当前量子技术领域正发生的革命奠定了基础”。

量子纠缠长期是量子力学中最具争议的问题之一。量子纠缠是一种奇怪的量子力学现象,处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变,另一个的状态会瞬时发生相应改变。

在很长一段时间里,以爱因斯坦为代表的部分物理学家对量子纠缠持怀疑态度,爱因斯坦称其为“鬼魅般的超距作用”。他们认为量子理论是“不完备”的,纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递,也就是“隐变量”。

20世纪60年代,物理学家约翰·贝尔提出可用来验证量子力学的“贝尔不等式”。如果贝尔不等式始终成立,那么量子力学可能被其他理论替代。

为了对贝尔不等式进行验证,美国科学家约翰·克劳泽设计了相关实验,其中使用特殊的光照射钙原子,由此发射纠缠的光子,再使用滤光片来测量光子的偏振状态。经过一系列测量,克劳泽能够证明实验结果违反了贝尔不等式,且与量子力学预测相符。

但这个实验具有局限性,原因包括实验装置在产生和捕获粒子方面效率较低、滤光片处于固定角度等。在此基础上,法国科学家阿兰·阿斯佩设计了新版本的实验,测量效果更好。阿斯佩填补了克劳泽实验的重要漏洞,并提供了一个非常明确的结果:量子力学是正确的,且没有“隐变量”。

奥地利科学家安东·蔡林格后来对贝尔不等式进行了更多的实验验证。其中一项实验使用了来自遥远星系的信号来控制滤波器,确保信号不会相互影响,进一步证实了量子力学的正确性。蔡林格和同事还利用量子纠缠展示了一种称为量子隐形传态的现象,即将量子态从一个粒子转移到另一个粒子。其团队还在量子通信等方面有诸多研究进展。

其中一项重要成果就是,2017年中国与奥地利科学家借助中国的“墨子号”量子卫星,成功实施世界首次量子保密的洲际视频通话。这也是为什么诺贝尔物理学奖评委托尔斯·汉斯·汉森在现场解读获奖成果时,展示了一张含有中国量子卫星的图片,其上显示了中国和欧洲之间的洲际量子通信实验。

诺奖官方公报说,世界各地的研究人员已经发现了许多利用量子力学强大特性的新方法,而这些都得益于今年三位获奖者的贡献。他们扫除了贝尔不等式等“拦路虎”,这也是为什么公报称赞“他们的结果为基于量子信息的新技术扫清了道路”。

他们证实爱因斯坦错了




中国科学家也作出了重要贡献



让人高兴的是在这些研究工作中,中国科学家也作出了重要贡献。作为安东·塞林格的学生,颁奖委员会提到的安东·塞林格的研究工作,潘建伟院士是最主要的参与者之一。

“颁奖委员会提到了我导师安东·塞林格的四篇量子通信实验文章。我是其中两篇文章的第一作者,两篇文章的第二作者。”潘建伟说。

同时,“颁奖委员会还提了另外三篇文章,而这三篇文章都是中国科学家独立开展的研究工作。所以,从这一点讲,我不仅是加入了塞林格的研究团队,也参与了开创量子信息物理学这个领域,我感到很幸运。”潘建伟说。

更重要的是,“在把获奖科学家的梦想变成现实的过程中,中国科学家也作出了很大的贡献。”在这方面的成绩让潘建伟感到很骄傲。

塞林格成功预见到一个新领域即将诞生

谈到自己的导师安东·塞林格,潘建伟的第一印象是他非常知人善任。

“刚到导师团队的时候,我没有做实验的经历。面对这种情况,一般的导师都会比较犹豫,不会让一个搞理论的人去做实验。但是,因为我导师自己也有做理论的背景,所以他也很高兴,同意我去做实验工作。”潘建伟说。

同时,安东·塞林格也能够尊重学生的选择,并加以适当的引导,让学生实现自己的梦想。“从这个角度讲,他又是一位非常好的老师。”

“塞林格老师很有远见,他成功预见到一个新领域即将诞生。”潘建伟记得很清楚,欧洲第一个关于量子信息的欧盟联合课题,就是在塞林格的主导下设立的,“我看到他的项目申请书是1996年”。

2005年至2012年,马小松在安东·塞林格教授的指导下,开展量子物理学领域相关研究。

“量子物理学的实验漫长而又充满不确定,每一次实验的成功都要经历无数次失败,这是一个慢慢精进的过程,需要长时间的磨炼。在整个研究过程中,安东·塞林格教授一直保持着对这个学科的无比热爱。同时,他也非常关心年轻人的成长,经常鼓励我们,包括潘建伟院士。”马小松说。

三周前的一次学术会议上,安东·塞林格告诉马小松,他刚刚从奥地利科学院院长职位退休,又回到了他热爱的科研工作岗位,继续从事科学研究,感到非常激动。

我国有一批具有重要国际影响力的成果

近年来,我国也高度重视量子信息科技的发展,在量子信息科技领域突破了一系列重要科学问题和关键核心技术,产出了一批具有重要国际影响力的成果。

“总体而言,我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位,在量子计算方面与发达国家处于同一水平线,在量子精密测量方面发展迅速。”潘建伟说。

他表示,量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器实现邻近两个城市之间的连接、通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

我国的城域量子通信技术已初步满足实用化要求,我国建成了国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”,在金融、政务、电力等领域开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在卫星量子通信方面,我国研制并发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,在国际上率先实现了星地量子通信,首次实现了洲际量子通信,充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。

量子计算研究的核心任务是多量子比特的相干操纵。当前,量子计算研究已经实现“量子优越性”,即量子计算机对特定问题的计算能力超越传统超级计算机,达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。

2020年,潘建伟和陆朝阳等学者研制成功76个光子的量子计算原型机“九章”,推动了全球量子计算的前沿研究达到一个新高度,继谷歌“悬铃木”量子计算机之后,我国首次成功实现“量子计算优越性”的里程碑式突破。

然而,“我国在量子精密测量领域起步较晚,整体上相比发达国家存在一定的差距,但近年来已经迅速缩小了差距,在若干研究方向上与公开报道的国际最高水平相当。”潘建伟说。



潘建伟团队“墨子号”亮相诺奖颁奖典礼

2016年,中国发射了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”。潘建伟团队在量子保密通信京沪干线与“墨子号”量子卫星成功对接的基础上,构建了世界上首个集成700多条地面光纤量子密钥分发(QKD)链路和两个星地自由空间高速QKD链路的广域量子通信网络,实现了地面跨度4600公里的星地一体大范围、多用户量子密钥分发。2022年,“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迈出重要一步。




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