量子信息相关研究获得2022物理诺奖，该领域背后一直活跃着中国科学界的身影。他们贡献几何？我国量子技术处于国际上什么位置？
撰文/记者 段然 编辑/丁林 新媒体编辑/吕冰心
采访专家：
尹璋琦（北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授）
“这个奖项是对年轻人的鼓励，如果没有100多名多年来与我一起工作的年轻人，这个奖项是不可能实现的！”
在获悉自己成为2022年度诺贝尔物理学奖获得者之一时，奥地利物理学家泽林格激动地对媒体说道。
2022年10月4日，2022年度诺贝尔物理学奖正式揭晓，来自美国的约翰·克劳泽，来自法国的阿兰·阿斯佩，与来自奥地利的安东·泽林格共同分享了本次奖项，这三位物理学家都是量子物理学领域的大拿。
诺贝尔物理学奖委员会给出的官方颁奖词是：本次授奖是表彰他们对于“纠缠量子实验，验证贝尔不等式和开创量子信息科学方面”所做出的贡献。看到诺贝尔奖再次花落量子力学领域，很多关注诺奖的科学爱好者在欣喜之余，也对“量子纠缠”，“贝尔不等式”这些陌生概念感到一头雾水。对于公众而言，这些深奥的量子物理术语似乎显得极为遥远，但实际上，对于量子通信、量子计算机等这些近年来大热的技术领域而言，这三位量子物理的泰斗级人物所做出的贡献是具有关键的推动意义的，而且在他们辉煌成就的背后，一直活跃着中国科学界的身影。诺贝尔物理学奖委员会主席托尔斯·汉斯汉森还特别强调了中国的“墨子”号卫星对量子纠缠研究的推动意义。

颠覆世界观的量子纠缠
要了解量子纠缠这一概念，我们还需要把时间线回溯到传奇物理学家爱因斯坦身上。20世纪初，马克斯·普朗克，尼尔斯·玻尔，阿尔伯特·爱因斯坦等一大批我们耳熟能详的著名物理学家共同创立了量子力学。这一颇具革命性的学科极大颠覆了人们对物质结构以及其相互作用的认知，很多经典力学无力触及的微观系统现象，在量子力学的框架下得以解释，并能够得到精确的实验证明。
作为现代物理的重要基础概念，量子是构成这个世界最小、不可再分割的能量单位，量子可以是光子、电子、原子核等微观粒子，如果我们深入到量子力学构建的世界中，会发现这些“小家伙”们具有一种非常奇怪的特点，就是量子叠加，如果我们不去观测这个粒子，它就没有确定的状态：它可以是个粒子，也可以是波，它的自旋、偏振、位置以及动量等物理性质也可以有各种可能——它就会一直处于各种叠加态当中，直到我们对其进行“窥视”，粒子的叠加态就会消失，表现出唯一的状态（这一现象被称为量子坍缩）。对于这个深奥的量子物理概念，著名的物理学家薛定谔就曾用他的猫进行过颇为形象的解释。
我们现在知道：每个单独的粒子都具有叠加态，如果两个粒子通过某种方式产生联系，或者一个粒子衰变成两个粒子，他们的叠加态能相互缠绕在一起。而奇特之处在于：即便两个粒子分开，无论相隔多远，他们的叠加态依然能够相互缠绕的，共享作为一个整体的物理状态，就好像彼此产生了“心灵感应”一样，一个粒子的任何变动，都会影响到另一个粒子，而且其中不会存在任何时间差——这就是“量子纠缠”现象。
△量子纠缠艺术设想图（来源：瑞典皇家科学院）
量子纠缠颠覆了以往经典物理的世界观，在20世纪初期很多著名物理学家眼中简直是离经叛道。在爱因斯坦看来，任何粒子之间要产生相互作用，必须依靠介质才能实现。但介质的速度是无法超越光速的。换言之：一个粒子发生的变化，是不能以超光速的形式，影响遥远距离之外另一个粒子的状态——这就是爱因斯坦的局域实在论。而量子纠缠现象显然违背了这一理论，如果产生纠缠的粒子距离相当远，他们是如何做到即时的“互通消息”呢？
爱因斯坦错了吗？
“1935年，爱因斯坦，波多尔斯基和罗森写了一篇文章，以此质疑量子力学的完备性，这被后世称为‘EPR’详谬。” 北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授尹璋琦对记者介绍道。在这篇文章中，爱因斯坦猜测：产生纠缠的粒子之间，一定存在某种人类还未发现的特殊作用机制，也因此，他认为量子力学尚不完备。这一机制当时被爱因斯坦形容为“鬼魅般的超距作用”，之后被玻姆概括为“隐变量”。
“这篇文章哲学意味很浓，其中涉及到了很多假想性的实验，以当时的条件无法实现，所以在此后三十年关注者并不多，科学家也只是作了一些纯理论方面的探索，缺少实证工作。”尹璋琦对记者解释道。直到1964年，爱尔兰物理学家约翰-贝尔提出了可用来进行验证的贝尔不等式，为后人提供了进行实证研究的框架，针对量子纠缠的相关实验工作才真正起步。科学家在进行定量实验时，如果证明贝尔不等式成立，那么爱因斯坦的局域实在论是正确的，量子力学确实是不完备的。但在此后几十年中，多次实验结果却在一步步指向与爱因斯坦相悖的方向：贝尔不等式是不成立的。
“在贝尔不等式提出后不久，美国的克劳泽成为最早一批对贝尔不等式进行了理论分析，和实证研究的学者。此后，法国的阿斯佩等人则在克劳泽的成果基础上首次做出了比较可靠的实验。而奥地利的泽林格在80年代进入到这个领域，在90年代首次进行了无因果漏洞的实验。” 尹璋琦对记者介绍道，“这三位学者针对贝尔不等式和背后的EPR佯谬，做了从理论到实验的一系列工作。” 克劳泽、阿斯佩和泽林格的实验测试，均验证贝尔不等式是不成立的，证实了量子纠缠的真实性，也就是说：爱因斯坦当年关于“鬼魅般超距作用”的质疑是错误的！量子力学是完备的！

早在2010年，克劳泽、阿斯佩和泽林格三人就曾因围绕贝尔不等式和量子纠缠的实验研究，获得第23届沃尔夫物理学奖，今年再次斩获诺贝尔物理学奖，也算实至名归。他们的研究成果相辅相成，共同拓展了人类探索量子力学的新视野。而这些在实验技术上的贡献，也让量子的纠缠性质从抽象的理论中走向现实：即然两个粒子在形成纠缠态后，无论相互间相距多远，其中一个粒子的状态能瞬间决定另一个粒子的状态，那如果把量子纠缠应用于通信领域，那岂不是会带来颠覆性的技术革新？于是，在量子纠缠尚处在理论研究与实验室阶段时，人们就迫不及待地将之与人类社会的信息传播技术发生耦合，并撬动了一个新兴产业——量子信息技术发展的大门。
量子信息在中国
80年代开始，科学家在进行多年探索的基础上，逐步将以量子纠缠为中心的量子力学理论引入到信息科学领域，量子信息技术这种战略性前沿科技应运而生。这种技术利用量子态来进行编码、传输、处理和存储，从根本上突破了现有信息技术在物理和运算速度上的极限，在通信安全和加密等方面具有无可比拟的优势。“而中国在量子纠缠领域的研究和应用方面做了大量工作，且一直处于该领域学术研究的最前沿。” 尹璋琦评价道。
在很多自然科学研究领域，中国经常以后进生的面貌奋起直追，完成超越。但在量子信息领域却大不相同：在起步阶段，中国就与世界前沿保持同步，中国科学界亲身参与甚至领导相当部分的前沿科研项目。中国的量子信息，最早起步于量子光学的研究。早在1984年，中国早期的量子物理先驱郭光灿、邓质方、彭堃墀和吴令安等人，就在美国访学期间齐聚一堂，开创了中国量子光学的先河。归国后，这一批老一辈科学家将量子力学的最新研究成果如播种一般传播到国内。而在推动国内量子光学的研究过程中，郭光灿很快意识到量子信息这一新兴学科的广阔前景，遂以量子密码为入口展开研究。到90年代，郭光灿的研究很快取得了阶段性成果。1997年他与他的学生段路明合作，首次在国际上提出量子避错编码的方法，成果克服了量子计算中的消相干问题，为日后量子计算技术的发展扫清了一大障碍。这一研究成果使两人在国际上名声大噪，完成了中国科学界在国际量子信息领域的首秀。
就在郭光灿与段路明蜚声世界的同一年，奥地利因斯布鲁克大学的物理学实验室里，日后的诺贝尔物理学奖得主泽林格，也取得了在量子信息领域的重大突破：他的科研团队首次完成了量子隐形传态的的原理性实验验证，被人们誉为量子信息实验领域的经典之作。
而此刻，在他的团队里，就有一张年轻的中国面孔，这就是日后成为中国量子信息领域的领军人物、中科院院士潘建伟。这一年，他只有27岁，是泽林格麾下的一名博士研究生。

△潘建伟（中）曾是泽林格（右）的博士生（来源：维也纳大学）
在攻读博士期间，潘建伟参与了泽林格关于量子隐形传态的原理性实验验证工作，并作出了突出的贡献.在获得博士学位后，潘建伟继续留在泽林格的科研团队中开展研究，成为泽林格的得力干将。“（颁奖典礼的时候）提到我导师的工作，除了他的那篇理论文章之外，所有有他名字的文章，都是有我的名字的，我要么是第一作者，要么就是第二作者。”潘建伟这样介绍他在泽林格团队时所做的工作。而泽林格在2021年接受法兰克福汇报采访时，曾这样回忆：“潘建伟在奥地利一待就是八年，从博士一直到博士后，他在选择研究方向时进行了深入的策略性思考，始终是一个极为热心的科学家。”
时间来到了世纪之交，2001年，潘建伟回国，在中科院、基金委和科技部的强力支持下，筹建量子物理与量子信息实验室。而此时，他在奥地利维也纳大学的多光子纠缠研究还在推进，于是这个年轻人开始中国-奥地利之间来回奔波，一面将自己的量子纠缠研究推向新得国际高度，一面充分利用自己在欧洲的科研资源，将该领域的国际先进成果搬运到国内，帮助国内的科研人员完成量子力学的知识积累，其中为了将德国海德堡大学先进的超冷原子技术带回国内，补足中国在量子存储技术上的缺憾，他本人更是直接以客座教授身份赴海德堡大学从事量子存储的研究工作。此外，潘建伟还积极选派多位青年学者赴欧洲各国领先的学术机构进行考察与研究，并将其招入自己在海德堡大学新组件的研究团队。欧洲的研究拓展，中国的基础搭建，这两项工作虽远隔万里，却在潘建伟的不懈努力下，逐渐像两颗产生纠缠关系的粒子，开始同步起来。
经过多年对国际先进技术与经验的学习与吸收，潘建伟在海德堡组建的中国团队在量子信息技术领域已处于国际领先地位. 2008年，这个团队的青年才俊们带着瑞士的探测器技术，美国的量子器件技术与精密测量技术，德国的冷原子技术，以及一腔报国热忱，随潘建伟归国，以中国科大为中心，和郭光灿，段路明等开拓者一道，全身心投入国内的科研工作。很快，中国的量子信息技术研究就获得了一系列重大突破。
2011年，郭光灿团队成功研制了从合肥到芜湖200公里的城际量子密码通信网络，随后又先后成功完成八方量子通信复杂性实验、量子惠勒延迟选择实验、实现光子偏振态固态量子存储等世界最高水准研究工作。而同样是在21世纪的第二个十年，潘建伟团队更是在多粒子纠缠制备、量子隐形传态、量子计算，以及保密量子通信等多个细分领域，斩获了震惊海内外的成果。
大丰收与大愿景
2016年起，中国量子信息技术研究迎来了大丰收：世界首颗空间量子科学实验卫星“墨子”号升空，潘建伟担任首席科学家。

△2016年11月26日，“墨子”号量子科学实验卫星正与兴隆量子通信地面站建立天地链路（来源：新华社）
次年，潘建伟团队承担的量子保密通信“京沪干线”正式开通，并实现与“墨子”号的天地链路。并公开演示了北京到维也纳之间的洲际量子保密通信。同年，潘建伟团队联合其他团队利用“墨子”号在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发。
中国在量子信息领域的突飞猛进，让潘建伟的导师泽林格即惊讶又欣慰。其实早在上世纪80年代开始，泽林格就积极与中国科学界开展合作，致力于量子力学领域的人才培养与国际科研合作等工作。他本人就是中国科学院外籍院士，还曾荣获2020年度中国政府友谊奖，可以说，他身上一直有着浓郁的中国色彩，只是近几年中国量子信息的发展实在超出了他的预料，他曾对法兰克福汇报记者感慨道：“潘建伟和他的团队，从组建到开展工作，都得到了中国政府的大力支持，这是相当了不起的。中国的项目开展得比西欧任何国家都要系统。2016年我现场见证了’墨子’号卫星的成功发射，卫星上凝聚了很多我们在奥地利的研究工作，中国在量子技术方面实在是领先欧洲一大步！”而作为泽林格的得意门生，潘建伟这样评价这一时期，中国科学家在量子信息领域做出的突出贡献：“如果（量子信息）的发展前景不好，如果我们没有做到像后来的量子优越性和量子通信，或者像墨子号这么远的话，这个领域就只是一个梦，不能变成现实，在把这个梦变成现实的过程中，中国的科学家作了很大贡献。”
“目前国家对量子信息这个方向特别重视，在十四五规划中所提到的前沿科技中，量子信息排在第二位，仅次于人工智能。从国家层面来说不缺支持，研究层面也不缺人力资源，而在真正产业落地方面，近年来也有不少新的创业公司，拿到了不少风投或基金的支持。所以量子信息在我国的发展前景还是很值得期待的。” 尹璋琦最后总结道。

来源: 科普中央厨房

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