潘建偉導師獲諾獎

10.4知識分子The Intellectual

製圖 | 王若男

2022年諾貝爾物理學獎獲得者：

阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect ）教授、約翰克勞瑟（John F. Clauser）教授、 塞林格（Anton Zeilinger）教授

2022年的諾貝爾物理學獎授予阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect ）教授、約翰克勞瑟（John F. Clauser）教授、 塞林格（Anton Zeilinger）教授，以表彰他們對於量子光學和原子物理方面的實驗研究工作，尤其是在驗證貝爾不等式方面先驅性的工作。

撰文 | 邸利會

此前，三位教授已經在2010年獲得沃爾夫物理學獎，表彰他們在量子糾纏領域的成就，爲量子通信和量子計算等量子信息技術建立了基礎。

沃爾夫獎在介紹中說，“該獎項認可的一系列量子相關光子實驗是由約翰克勞瑟及其合作者的工作發起的，他們展示瞭如何將貝爾不等式應用於一種特定的實驗情形。在該實驗中，兩個糾纏光子生成，它們特性的相關性在兩個分離的檢測器中測量到。這個開創性的實驗顯示出與量子預測的一致，並排除了任何局部確定性理論（local deterministic theory）。”

阿斯佩，1947年6月出生於法國西南部阿基坦地區的阿根鎮。他畢業於法國的一所地區性大學奧賽大學（Université d’Orsay）。自1969年開始，作爲國家服務的一部分，他在非洲的喀麥隆教了三年書。1983年，他獲得奧賽大學博士學位。

攻讀博士學位期間，他完成了一項重要工作。

1935年，愛因斯坦（Albert Einstein）、鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森·羅森（Nathan Rosen）發表了一篇著名的論文，質疑量子力學的完備性。題目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ?”（“量子力學對物理實在的描述能被認爲是完備的嗎？”）。這就是著名的EPR文章。

他們提出，如果有兩個粒子，它們相互作用後分開，這樣就會出現對其中一個粒子的測量會影響另一個粒子的情況。愛因斯坦不喜歡這個事情，並且將其稱爲“幽靈般的超距作用”。人們將他們的論證稱爲EPR佯謬，或者愛因斯坦定域實在論。“定域實在論” 認爲，一個粒子只在局部擁有其所有特性並決定了任何測量的結局。

但直到1964年，理論學家貝爾（John Stewart Bell）發現了後來以他名字命名的不等式，使得可以從實驗上檢測 “定域實在論” 的預測。 貝爾表明，即使允許其他未觀察到的特性（“隱藏變量”），在糾纏量子態中產生的兩個物理分離粒子的特性之間的某些統計相關性也無法用任何局部確定的的過程來解釋。

此後，科學家做了很多檢測實驗。第一個實驗是1972年加州伯克利的研究人員克勞瑟進行的，然後哈佛、德州農工大學的科研人員相繼進行實驗，但這些實驗都不夠令人滿意，存在一些漏洞。 貝爾認爲，最基本的漏洞是定域性漏洞（locality loopholes），並設想了測量的實驗方法解決這個漏洞。

這就是1982年阿斯佩所作的工作。做博士論文的課題時，他帶領團隊進行的實驗證實了貝爾定理的正確性，表明愛因斯坦、波多爾斯基和羅森的論文的 “荒謬”，也就是當兩個粒子分開任意大的距離時，“遠距離的幽靈作用”，在現實中似乎已經實現了：兩個粒子的波函數之間的相關性仍然存在，因爲它們曾經是相同波函數的一部分，而在測量其中一個粒子之前是沒有受到干擾的。

阿斯佩的實驗裝置是雙通道類型，其中光源被分成兩束，然後通過隨機設置的偏振器通過。當隨後測量兩個光束的極性時，發現它們在統計學上是相關的。 不過，由於技術侷限，當時的偏振片的方向選擇並不是隨機的。

1998年時，奧地利 Innsbruck 大學的研究人員使用了真正隨機數產生器做了實驗，觀察到幾十個標準偏差違背了貝爾不等式。此後的2013年，研究人員又相繼排除了另外一個 “測量漏洞”（detection loophole），排除了公平取樣這一假設的需要。

2015年，荷蘭代爾夫特理工大學的 Ronald Hanson，奧地利維也納大學的塞林格教授以及在科羅拉多州的博爾德的 NIST 的 Lynden Shalm 領導的研究團隊各自獨立地在一次實驗中將兩個漏洞同時排除。阿斯佩認爲這是一個偉大的成就。

此後，研究者繼續嘗試關閉其它的漏洞。由西班牙光子科學研究所的 Morgan Mitchell 領導的稱之爲大貝爾檢驗（BIG Bell Test）的國際合作研究表明，人類的自由意志可以用來關閉 “選擇自由的漏洞”。這是通過從人類而不是隨機數生成器收集隨機決策來實現的。該實驗招募了大約100,000名參與者，以便使其具有統計學意義。

在檢驗貝爾不等式的工作完成後，阿斯佩轉向激光冷卻中性原子的研究，許多實驗與玻色～愛因斯坦凝聚體有關。2015年，他被選爲英國皇家學會外籍會員時，英國皇家學會對他的成就有如下介紹：

“（授予這個會員是因爲）他在量子光學和原子物理學方面的基礎實驗。阿斯佩第一個在實驗演示中排除測量站之間的超光速通信，讓量子力學使可分離的隱變量理論失效，也第一個在實驗上演示了單光子的波粒二象性。他與人共同發明了速度選擇性相干羣體捕獲技術，是第一個在相同條件下比較費米子和玻色子的 Hanbury Brown-Twiss 相關性，並且首次證明了在超冷原子系統中的安德森定域化。他的實驗闡明瞭單光子，光子對和原子的量子力學行爲的基本方面。”

目前，阿斯佩是巴黎著名的國家科學研究中心（CNRS）的研究主任。Aspect 還在 Institut d'Optique 擔任 Augustin Fresnel 主席，同時也是巴黎 écolePolytechnique 的教授。他曾獲得了2010年沃爾夫物理獎、2012年的愛因斯坦獎章等榮譽獎勵。

約翰 · 克勞瑟（Clauser）1942年出生於加利福尼亞州帕薩迪納市。1964年，他他獲得了加州理工學院物理學學士學位，兩年後獲得物理學碩士學位，並最終在1969 年獲得了哥倫比亞大學物理學博士學位。

1969年至1996年，他主要在勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加州大學伯克利分校工作。

1972 年，他與 Stuart Freedman 合作，對 CHSH-Bell 定理預測進行了第一次實驗測試。這是世界上第一次觀察到量子糾纏，也是第一次對違反貝爾不等式的實驗觀察。

1974 年，他與邁克爾·霍恩（Michael Horne）合作，首次顯示貝爾定理的推廣爲所有局部現實的自然理論（又名客觀局部理論）提供了嚴格的約束。這項工作引入了 Clauser-Horne（CH）不等式，作爲由局部現實主義設定的第一個完全通用的實驗要求。它還引入了 “CH 無增強假設”，從而將 CH 不等式簡化爲 CHSH 不等式，因此相關的實驗測試也約束了局部真實性。

同樣在 1974 年，他首次觀察到光的亞泊松統計（通過違反經典電磁場的柯西-施瓦茨不等式），從而首次證明了光子的明確粒子狀特徵。1976 年，他進行了世界上第二次對 CHSH-Bell 定理預測的實驗檢驗。

約翰克勞瑟的父親曾任約翰霍普金斯大學航空系主任，還擔任過加州大學聖克魯斯分校的副校長，然後回到加州理工學院並擔任工程系主任。

當克勞瑟還是個孩子的時，就精彩徜徉於父親在約翰霍普金斯大學的實驗室，眼看着奇特的實驗裝置，想着哪一天長大了也可以擁有這些“玩具”。他的父親也是一位很好的老師，有任何小克勞瑟不懂的事情，他都能很細緻的講解清楚。克勞瑟很小的時候就喜歡擺弄電子器件，製作電子遊戲，還得過一些科學獎項。

爲什麼選擇科學而不是學工程？克勞瑟覺得，一方面是父親覺得科學更加 “高大上”，另一方面，一旦掌握了最基本的原則，那以後做什麼都是可以的。

對克勞瑟一生影響較大的人有兩位，除了父親，還有論文導師。當然，工作中也有很大影響的人，比如前文所述的 John Bell 以及Charlie Townes。

從加州理工到哥倫比亞大學，克勞瑟感到文化上的衝擊。哥倫比亞大學更大，也有和加州理工如費曼這樣的大師，如李政道。哥倫比亞大學在實驗物理方面也更好。他的博士學位是對宇宙微波背景輻射的第三次測量。

有趣的事情是，在這期間，他的量子力學課得了兩次C，而哥倫比亞大學規定必須得了B或者B以上纔可以。克勞瑟覺得自己是一個實在的人，如果有模型或者能視覺化某個東西的話，就可以很好的掌握，而對於抽象的純數學不是很擅長。

在哥倫比亞大學研究生期間，克勞瑟讀到了著名的EPR佯謬的論文以及博姆（Bohm）關於 “隱藏變量” 的論文。1967年，他進一步讀到了貝爾的論文。他意識到，可以用實驗來檢驗貝爾的定理。但當他把這一想法告訴導師時，收到的反饋確是不要浪費時間在這種哲學問題上。

在親自開始實驗之前，克勞瑟寫信給貝爾和博姆，確認他沒有忽略任何先前關於貝爾定理和量子非局域性的實驗。兩位受訪者立即回信，很高興有實驗者對這個話題抱有興趣。貝爾後來回憶說，克勞瑟1969年2月的來信是貝爾收到的關於貝爾定理的第一個直接回應。在貝爾的文章發表四年多之後，纔等到學界的注意。貝爾鼓勵克勞瑟，如果他碰巧能夠測量出與量子理論預測的偏差，那將 “震動世界！”

當然，從貝爾的理想化的論文到實際的實驗檢驗，還要克服很多的困難。此後他和位於波士頓的 Abner Shimony 組合作，發展了一種新的貝爾定理的表法方式，更容易和實驗數據進行直接的比較。

即使他的研究做得不錯，克勞瑟的就業前景卻不怎樣。他畢業時，美國的物理學家供求失衡，他做的貝爾定理，進一步導致他難以找到工作。克勞瑟後來說，在那些年裡，對量子力學基礎表現出興趣的物理學家都揹負着“恥辱”，這種感覺就像身處於宗教戰爭或麥卡錫式的政治清洗當中。

最終，在伯克利的Charlie Townes在勞倫斯伯克利實驗室給他找了份博士後的工作，做天體物理。在到伯克利的行程中，他和Abner Shimony的合作依然在進行中，在1969年8月上旬到達伯克利時，他們已經準備好把論文提交給期刊。在經費縮減的情況下，克勞瑟說服Townes，讓他覺得貝爾定理值得檢驗。Townes允許克勞瑟花一半的時間來進行這個實驗。

克勞瑟也曾說，如果沒有Charlie Townes，他恐怕都做不成1972年的突破性的實驗。（此前，Gene Commins和Carl Kocher已經做過的實驗，也是針對Einstein-Podolsky-Rosen佯謬。Townes認爲克勞瑟設想的實驗非常有意思，這個態度讓Commins也不好反駁。不過，克勞瑟認爲，Commins他們並不懂貝爾定理，也不懂得這個定理在當時的重要性。）他們的這個實驗實現了令愛因斯坦當初感到煩惱的鬼魅般的遠距離作用。

不過，即使做了這個實驗，沒幾個物理學家關心這事。在《物理評論快報》上發文章一年過後，貝爾定理的全球引用反而掉了一半。在職業上，這個實驗對克勞瑟的幫助也不大。他申請工作的某物理系系主任很懷疑，克勞瑟的這個檢驗貝爾定理的工作算不算真正的物理。

塞林格（Anton Zeilinger）是維也納大學物理學名譽教授，奧地利科學院量子光學與量子信息研究所高級科學家。他也曾任奧地利物理學會主席，現任奧地利科學院院長。

塞林格1945年出生於奧地利，1971年在維也納大學獲得博士學位。他曾在維也納技術大學和因斯布魯克大學任教，1999年加入維也納大學並擔任物理系 “椅子” 教授。

他是一位量子物理學家，正如英國的物理研究所首屆艾薩克·牛頓獎章所述，塞林格 “對量子物理學基礎概念和實驗方面做出了開創性的貢獻，這些業已成爲快速發展的量子信息領域的基石”。

建立量子信息理論的基礎原理是量子疊加。量子疊加讓一個量子比特不僅能夠表現出0或1的傳統比特狀態，也能夠呈現出其他任意中間狀態。量子不可克隆定理表明，一個未知的量子態不能夠被精確地複製。當一個量子系統由兩個或多個量子比特組成時，量子疊加就成爲了量子糾纏，這使得態空間呈指數增加。不確定原理和不可克隆原理是量子通信、量子計算和量子互聯網的基石。

他以糾纏方面的實驗和理論工作而聞名，最著名的是多粒子糾纏態的實現、量子隱形傳態、量子通信和密碼學、光子量子計算以及從中子到富勒烯的物質波干涉測量，後者研究退相干和量子－經典轉變的細節。

塞林格曾說，大約從20世紀70年代開始，人們開始在實驗上深入探索量子世界，思考這個世界是否真的如此奇妙。

“當時並不是爲了應用而進行實驗，新生的嬰兒又能做什麼呢？所以，我們之中的一些人在20世紀70年代和80年代早期所做的工作並沒有什麼實際用處，而後來我們卻收穫了驚喜。這是我生命中最大的驚喜之一，我確信這樣的事情還會再發生。” 他說。

1997年，他和同事首次完成了量子隱形傳態的原理性實驗驗證，成爲量子信息實驗領域的開山之作。量子隱形傳態是從一個粒子向另一個粒子遠距離傳遞未知量子態的方式，這一過程不需要傳遞粒子本身。潘建偉教授也是這一個實驗的重要參與者之一。

量子隱形傳態妙就妙在：你並不測量要傳輸的初態，你僅僅只是利用了糾纏。藉助量子糾纏，我們可以將未知的量子態傳輸到遙遠的地點。

在最初的實驗中，塞林格組所實現的傳輸距離很短。後來，他們又完成了跨越多瑙河的量子隱形傳態實驗，以及非洲加那利羣島之間的遠距離糾纏和隱形傳態實驗。島嶼之間的距離是百公里左右，在很長時間內這都是糾纏分發的最長紀錄。現在，這個距離被我們熟知的 “墨子號” 量子衛星超過了。

塞林格的主要研究興趣是量子力學的基礎實驗，重點是量子糾纏、量子干涉測量和量子信息。他特別關注的是新的糾纏態及其在量子通信和量子計算中的應用。 塞林格目前的興趣還包括很高維度和複雜性的糾纏軌道角動量態，實現愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出的動量和位置糾纏態，實現基於不可區分性和遠距離量子通信的新型量子成像的想法。

和團隊成員一起，塞林格開發了糾纏光子的源，觀察了三光子和四光子糾纏以及高維量子態的糾纏。這些方法曾經並且正在被應用於量子通信任務的實現，例如超密集編碼、基於糾纏的量子密碼學、量子隱形傳態和糾纏交換、糾纏態的隱形傳態。

此類實驗還包括線性光學單向量子計算、各種光子量子門的實現和量子克隆。塞林格組進行的基本實驗包括無相互作用測量、非局域量子擦除器、快速量子數發生器以及通過輻射壓力對微鏡進行自冷卻。

塞林格介紹說，與此同時，他正在從事量子力學的測試，例如關閉各種漏洞的貝爾不等式實驗、Legett 不等式和 GHZ 矛盾的測試以及具有三維狀態的 Kochen-Specker 範式的實現。

塞林格曾多次受邀到麻省理工學院、慕尼黑工業大學、柏林洪堡大學、牛津大學等地訪問。

參考文獻：（上下滑動可瀏覽）

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