从否定爱因斯坦到发展量子信息：2022年诺贝尔物理学奖解析

▲  2022年诺贝尔物理学奖获得者（从左至右）：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟和安东·塞林格。 （诺贝尔奖官方网站 / 图）

文｜南方周末特约撰稿 鞠强

北京时间2022年10月4日17时50分，瑞典皇家科学院宣布将2022年度诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国物理学家约翰·克劳瑟（John Clauser）以及奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“使用纠缠光子进行实验，建立了验证贝尔不等式不成立的基础以及开创了量子信息科学”。三人各自获得总奖金的三分之一。

三人此前还曾经共同获得了2010年沃尔夫物理学奖，当年的获奖理由与今年的获奖理由类似，即表彰他们“对量子物理学基础作出的重要的概念上和实验上的贡献，特别是使用纠缠量子态对贝尔不等式或其扩展形式进行一系列日益复杂的测试”。量子信息领域近年来快速发展，作为该领域内的先驱，三人此前一直是呼声很高的诺贝尔奖候选人。

阿斯佩于1947年出生在法国阿根，1983年在巴黎第十一大学获得博士学位，目前是巴黎萨克雷大学和法国帕莱索理工学院教授。除获诺贝尔奖和沃尔夫奖外，他还获得过2012年爱因斯坦奖章。此外，33163号小行星也以他的名字命名。

克劳瑟于1942年出生在美国加利福尼亚州帕萨迪纳，1969年在哥伦比亚大学获得博士学位。1969年至1996年，他先后在劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及加州大学伯克利分校等机构工作。

塞林格于1945年出生在奥地利，1971年获得维也纳大学博士学位。除担任维也纳大学教授外，塞林格还在麻省理工学院、维也纳工业大学等机构工作过。此次获奖前，他还获得过2007年伊萨克·牛顿奖章等一系列国际重要奖项，48681号小行星以他的名字命名。

爱因斯坦（Albert Einstein）除了建立相对论外，还因对现代物理学的另一个支柱即量子力学的反对和质疑而闻名。1935年，他和鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）以及纳森·罗森（Nathan Rosen）发表了一篇论文，题目是《量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗？》（Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ?）。在这篇论文中，他们质疑了量子力学的完备性，提出了一个思想实验：如果有两个粒子在相互作用后分开，那么对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的状态，现在我们把这称作“量子纠缠”。

这样一来，两个粒子的相互感知似乎是超距瞬时的信号，这种超光速的作用违反了狭义相对论中光速最快的结论，因此爱因斯坦将其称作“幽灵般的超距作用”，并且希望建立一个局域实在论来修正量子力学。后来，他们的想法被称作爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox），并以三个人名字的首字母被简写为EPR悖论。作为量子力学的代表性人物，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Nils Bohr）断言EPR思想实验不可行，但未能找到有效的方式完全驳倒爱因斯坦等人的观点。

1952年，作为爱因斯坦的支持者，美国物理学家大卫·玻姆（David Bohm）提出了隐变量理论，他通过引入“隐变量”在局域实在论的基础上发展出局域隐变量理论。由于EPR实验被认为不可行，玻姆在1957年还和亚基尔·阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）提出了一个它的可行的变体。

1964年，英国物理学家约翰·贝尔（John Bell）在一篇题为《论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论》（On the Einstein Podolsky Rosen paradox）的文章中把莫里斯·弗雷歇（Maurice Fréchet）在1935年发表的一个定理（弗雷歇不等式）进行了简化，提出了后来以他的名字命名的贝尔不等式（Bell inequalities）。贝尔在其中定义了一个可观测量，根据局域隐变量理论和量子力学理论可以得到不同的测量值，由此可以判断究竟哪个理论是正确的。如果贝尔不等式成立，则爱因斯坦的理论正确；反之，如果贝尔不等式不成立，则爱因斯坦是错的。因此，贝尔不等式的意义在于，把涉及量子力学的争论从有关因果性的哲学问题转化为可以通过实验进行检验的科学问题。

1972年，克劳瑟和斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）在加州大学伯克利分校首次进行了检验贝尔不等式的实验，但受制于当时的实验条件，这个实验并没有“一锤定音”，原因是存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之间的距离太小，不足以说明纠缠的非定域性。但克劳瑟和弗里德曼的结果初步表明，贝尔不等式不成立。

1982年，正在巴黎第十一大学攻读博士学位的阿斯佩改进了克劳瑟和弗里德曼的实验，再次证明贝尔不等式不成立。在此之后，实验物理学家不断完善检验贝尔不等式的实验。到了1998年，塞林格等人在奥地利因斯布鲁克大学完成了有关贝尔不等式的实验，解决了此前存在的漏洞，给出了贝尔不等式不成立的决定性证明。

2015年，塞林格、荷兰代尔夫特理工大学的罗纳德·汉森（Ronald Hanson）以及美国国家标准技术研究院的林登·沙姆（Lynden Shalm）领导的研究团队又各自独立地进行了验证贝尔不等式的实验，无漏洞地证明了贝尔不等式不成立。

正如诺贝尔物理学奖和沃尔夫物理学奖的颁奖词所说，克劳瑟、阿斯佩和塞林格等人的工作，接续对贝尔不等式进行了测试并证明其不成立，由此证明了爱因斯坦关于量子力学不完备性的论断是错误的。

在检验贝尔不等式的同时，以塞林格为代表的物理学家还利用处于纠缠态的光子在量子信息领域进行了开拓。20世纪90年代末，他领导的研究团队发现纠缠的量子态具有储存、传输和处理信息的能力，将量子纠缠从理论推向了应用，其中塞林格的博士生、现中国科学院院士潘建伟在当时的研究中发挥了关键的作用。1997年，塞林格、潘建伟等人在《自然》（Nature）上发表了关于实现量子隐形传态的论文，成为量子信息实验领域的开山之作。

潘建伟回国工作后，继续进行量子信息的研究并且取得了令人瞩目的成绩。2016年8月16日，由他领导研发的“墨子号”量子科学实验卫星发射升空；2022年5月，“墨子号”实现1200千米地表量子态传输新纪录。

诺贝尔奖委员会指出，2022年的诺贝尔物理学奖是对实验工作的奖励。早期的对贝尔不等式的验证推动了量子力学的发展，这被称作“第二次量子革命”。两位获奖者克劳瑟和阿斯佩因为开创了一个新时代的工作而获奖，他们让物理学界认识到纠缠的重要性，并提供了创建、处理和测量更复杂的贝尔对（Bell pair）的技术以及令人难以置信的场景。第三位获奖者塞林格的实验工作因其对纠缠和贝尔对的创新使用而脱颖而出，这其中既包括由好奇心驱动的基础研究，也包括量子密码等应用研究。

阿斯佩、克劳瑟和塞林格三人的工作展示了研究和控制处于纠缠状态的粒子的潜力，为量子技术的新时代奠定了基础。目前，量子信息、量子计算已经成为备受瞩目的重点科研领域，各个主要科技大国纷纷发力。可以预见，这些技术将会深刻改变人类未来的生产和生活，推动人类社会迈向一个新的高度。

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