作者：王向斌，转载自“中国高新技术产业导报”

3位杰出的量子物理学家，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）、奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），因“采用量子纠缠光子对的实验、证伪贝尔不等式和量子信息的开创性工作”而获得2022年度诺贝尔物理学奖。

  “证伪贝尔不等式”，是对量子力学科学基础的检验。为完成这样的检验，需要用到量子纠缠，最常用的是偏振光子对，而量子纠缠又是量子信息科学中的核心资源。

爱因斯坦与玻尔的世纪争论

时至今日，量子力学已经取得巨大成功，它是对微观世界最成功的科学理论。

从经典到量子，是人类认识自然的一场伟大革命，这可能是人类有史以来一场最伟大的科学革命。然而量子力学的基本出发点，不符合人们已经习惯了的来自经典世界的直觉。比如，一个人的年龄和体重值必须存在，与你是否知道没有关系，这在人们通常的观念中，是理所当然的。这种观点称作“实在性(reality) ”，即任何粒子、任何系统，它的任何物理量必须有确定值，无论你观测还是不观测，这个值一定存在。然而量子力学却不这么认为。在量子力学的解释中，一个微观粒子的某个物理量在被测量前，是可以不存在确定值的！它甚至可以处于一种多个值的相干叠加状态。量子力学与实在性之间的分歧，涉及到了物质世界的根本性质，自然引发了物理学家的高度关注，也导致了爱因斯坦和玻尔那场著名的争论：到底“上帝掷不掷骰子？”

爱因斯坦与合作者的论文：量子力学的实在性描述是完备的吗？

（图片来源：Physicsl Review 47, 777-780（1935））

然而，当年这场争论更像是哲学上的思辨，没有办法找到一种实验上可以判定的方法，因此双方谁也不能说服对方。到了1935年，爱因斯坦按量子力学规则分析了量子纠缠态属性，给出了强烈违反直觉的结果，从而引发了他对量子力学是否完备的质疑，即可能存在更完备的理论构架，在那里粒子的任何物理量的值都明确存在。

按照量子力学，两个粒子如果处于纠缠状态，对其中一个粒子的某个物理量进行测量，其测量结果会瞬间影响另一个粒子的状态。在爱因斯坦看来，量子纠缠的这种性质是“遥远地点之间的诡异互动”。纠缠态中的两个粒子在空间可以相距很远，以经典直觉，对其中一个粒子的测量不能影响远处的另一个粒子，这个直觉被称为“定域性”，即本地状态的改变不能在瞬间影响到远处。它与实在性相结合，构成了对经典直觉的总结“定域实在性”。

爱因斯坦那时引入量子纠缠态的属性，本意是想通过这里的看起来诡异的关联结果来强化量子力学的不合理之处，然而，有意思的是，正是这量子纠缠，提供了验证量子力学正确性的实验方法和具体的标准！

“证伪贝尔不等式”

1964年，贝尔（Bell）给出了一个惊人的具体数学结论，叫做贝尔不等式。具体内容就是，任何理论构架，只要认同定域实在性，那必须满足这个不等式；而依据量子力学的计算规则，量子纠缠态的计算结果可以明显违反这个不等式。这就对孰是孰非给出了具体判别标准：即便我们不知道那种“更完备”的理论构架是什么，只要它主张定域实在性，我们就可以依据贝尔不等式对它证伪。此后，进一步的理论研究消除了原始贝尔不等式的实验实施障碍。至此，之前的辩论可以由具体实验结果判决了。实验验证贝尔不等式，在技术上并不容易，尤其是在半个世纪前。科学家们通过漫长的努力，不断地发展了对量子纠缠态的制备、操作和测量等一系列技术。自20世纪80年代以来，基于纠缠光子对技术，实验结果已经越来越明确地违反了贝尔不等式，爱因斯坦与玻尔的那场世纪之争的答案逐步明朗。可能比实验本身更重要的是，量子纠缠在用于量子力学基础检验的同时，已经成为量子信息科学中的核心资源。实验中用到的纠缠光子对已经广泛应用于量子通信，即量子密钥分发(QKD)和量子态隐形传输。

纠缠光子对艺术图

（图片来源：瑞典皇家科学院）

总而言之，量子纠缠用于对贝尔不等式的检验涉及到了世界的本质，它本身又是量子信息科学的核心资源，这是一个非常重大、非常深刻的主题，而今年获得诺贝尔物理学奖的3位科学家，正是在这个领域做出了杰出贡献。

诺贝尔委员会的科学背景报告

量子力学主要创始人之一薛定谔曾说：“量子纠缠是量子力学的特征，没有之一”。在量子纠缠态被用以研究检验量子力学基础的同时，量子纠缠和量子态的线性叠加属性本身及其应用逐步成了前沿热点，形成了一个新领域：量子信息科学，包括量子通信、量子计算和量子精密测量等。量子信息科学具有异常强大的应用前景，可以在确保信息传输安全、提高计算能力、提升测量精密等方面突破经典信息技术极限，因此从其诞生起就得到了国际学术界的广泛重视。而如今较普遍的观点是，量子纠缠作为量子信息科学的核心资源，其重要性已经超越了量子力学基础检验本身。

正是量子信息科学特别是量子通信领域对实际应用量子纠缠的技术突破，使得学术界进一步认识到了作为资源的量子纠缠的重要价值，当然也促进了这一领域的开创性工作得到高度肯定。2022年诺贝尔物理学奖委员会的科学背景报告，以很大篇幅论述量子通信即现有的两种具体的量子通信形式：量子隐形传态(quantum teleportation)和量子密钥分发(QKD)。该报告较为详细地介绍了中国科学家团队基于中国“墨子号”卫星的量子通信的研究成果。例如该报告第13页写道：“这一途径(太空量子通信)已经由潘建伟率领的团队作为先锋所突破，采用(世界)首个星地量子通信实验卫星完成，该卫星，墨子号卫星，由中国于2016年成功发射。”此后一整段介绍潘建伟团队基于墨子号卫星的量子纠缠分发工作：“潘和他的同事们基于卫星完成了相隔1200公里的地面两点的量子纠缠分发……”

近年来，中国科学家在量子信息领域取得了多项举世瞩目的重大突破。特别是在量子通信方面，我国现场商用光纤链路无中继量子密钥分发的安全距离达到创纪录的500公里，成功实施“墨子号”量子卫星和量子保密通信“京沪干线”等工程化项目，构建了世界首个天地一体化广域量子通信网络的雏形。这些成就标志着我国在量子通信的研究和应用水平上处于国际领先地位。

（作者：王向斌，清华大学物理系教授，济南量子技术研究院院长，实用化量子保密通信中主要方法-诱骗态方法的主要提出者之一，并率研究小组为实用化量子密钥分发先后提出4强度优化协议理论和“发送/不发送”双场协议理论，获得广泛实验应用，有力地推动了兼顾安全和实用的远距离光纤量子通信的发展。）

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/TFI86pJsqkGDZhc-c4WJ2g