斬獲諾獎的量子信息領(lǐng)域，中國貢獻幾何？
量子信息相關(guān)研究獲得2022物理諾獎，該領(lǐng)域背后一直活躍著中國科學(xué)界的身影。他們貢獻幾何？我國量子技術(shù)處于國際上什么位置？
撰文/記者 段然 編輯/丁林
采訪專家：
尹璋琦（北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授）
“這個獎項是對年輕人的鼓勵，如果沒有100多名多年來與我一起工作的年輕人，這個獎項是不可能實現(xiàn)的！”
在獲悉自己成為2022年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者之一時，奧地利物理學(xué)家澤林格激動地對媒體說道。
2022年10月4日，2022年度諾貝爾物理學(xué)獎?wù)浇視?，來自美國的約翰·克勞澤，來自法國的阿蘭·阿斯佩，與來自奧地利的安東·澤林格共同分享了本次獎項，這三位物理學(xué)家都是量子物理學(xué)領(lǐng)域的大拿。
諾貝爾物理學(xué)獎委員會給出的官方頒獎詞是：本次授獎是表彰他們對于“糾纏量子實驗，驗證貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)方面”所做出的貢獻?？吹街Z貝爾獎再次花落量子力學(xué)領(lǐng)域，很多關(guān)注諾獎的科學(xué)愛好者在欣喜之余，也對“量子糾纏”，“貝爾不等式”這些陌生概念感到一頭霧水。對于公眾而言，這些深奧的量子物理術(shù)語似乎顯得極為遙遠，但實際上，對于量子通信、量子計算機等這些近年來大熱的技術(shù)領(lǐng)域而言，這三位量子物理的泰斗級人物所做出的貢獻是具有關(guān)鍵的推動意義的，而且在他們輝煌成就的背后，一直活躍著中國科學(xué)界的身影。諾貝爾物理學(xué)獎委員會主席托爾斯·漢斯?jié)h森還特別強調(diào)了中國的“墨子”號衛(wèi)星對量子糾纏研究的推動意義。
?顛覆世界觀的量子糾纏?
要了解量子糾纏這一概念，我們還需要把時間線回溯到傳奇物理學(xué)家愛因斯坦身上。20世紀初，馬克斯·普朗克，尼爾斯·玻爾，阿爾伯特·愛因斯坦等一大批我們耳熟能詳?shù)闹锢韺W(xué)家共同創(chuàng)立了量子力學(xué)。這一頗具革命性的學(xué)科極大顛覆了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及其相互作用的認知，很多經(jīng)典力學(xué)無力觸及的微觀系統(tǒng)現(xiàn)象，在量子力學(xué)的框架下得以解釋，并能夠得到精確的實驗證明。
作為現(xiàn)代物理的重要基礎(chǔ)概念，量子是構(gòu)成這個世界最小、不可再分割的能量單位，量子可以是光子、電子、原子核等微觀粒子，如果我們深入到量子力學(xué)構(gòu)建的世界中，會發(fā)現(xiàn)這些“小家伙”們具有一種非常奇怪的特點，就是量子疊加，如果我們不去觀測這個粒子，它就沒有確定的狀態(tài)：它可以是個粒子，也可以是波，它的自旋、偏振、位置以及動量等物理性質(zhì)也可以有各種可能——它就會一直處于各種疊加態(tài)當中，直到我們對其進行“窺視”，粒子的疊加態(tài)就會消失，表現(xiàn)出唯一的狀態(tài)（這一現(xiàn)象被稱為量子坍縮）。對于這個深奧的量子物理概念，著名的物理學(xué)家薛定諤就曾用他的貓進行過頗為形象的解釋。
我們現(xiàn)在知道：每個單獨的粒子都具有疊加態(tài)，如果兩個粒子通過某種方式產(chǎn)生聯(lián)系，或者一個粒子衰變成兩個粒子，他們的疊加態(tài)能相互纏繞在一起。而奇特之處在于：即便兩個粒子分開，無論相隔多遠，他們的疊加態(tài)依然能夠相互纏繞的，共享作為一個整體的物理狀態(tài)，就好像彼此產(chǎn)生了“心靈感應(yīng)”一樣，一個粒子的任何變動，都會影響到另一個粒子，而且其中不會存在任何時間差——這就是“量子糾纏”現(xiàn)象。
△量子糾纏藝術(shù)設(shè)想圖（來源：瑞典皇家科學(xué)院）
量子糾纏顛覆了以往經(jīng)典物理的世界觀，在20世紀初期很多著名物理學(xué)家眼中簡直是離經(jīng)叛道。在愛因斯坦看來，任何粒子之間要產(chǎn)生相互作用，必須依靠介質(zhì)才能實現(xiàn)。但介質(zhì)的速度是無法超越光速的。換言之：一個粒子發(fā)生的變化，是不能以超光速的形式，影響遙遠距離之外另一個粒子的狀態(tài)——這就是愛因斯坦的局域?qū)嵲谡?。而量子糾纏現(xiàn)象顯然違背了這一理論，如果產(chǎn)生糾纏的粒子距離相當遠，他們是如何做到即時的“互通消息”呢？
?愛因斯坦錯了嗎？?
“1935年，愛因斯坦，波多爾斯基和羅森寫了一篇文章，以此質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性，這被后世稱為‘EPR’詳謬?！?北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心教授尹璋琦對記者介紹道。在這篇文章中，愛因斯坦猜測：產(chǎn)生糾纏的粒子之間，一定存在某種人類還未發(fā)現(xiàn)的特殊作用機制，也因此，他認為量子力學(xué)尚不完備。這一機制當時被愛因斯坦形容為“鬼魅般的超距作用”，之后被玻姆概括為“隱變量”。
“這篇文章哲學(xué)意味很濃，其中涉及到了很多假想性的實驗，以當時的條件無法實現(xiàn)，所以在此后三十年關(guān)注者并不多，科學(xué)家也只是作了一些純理論方面的探索，缺少實證工作。”尹璋琦對記者解釋道。直到1964年，愛爾蘭物理學(xué)家約翰-貝爾提出了可用來進行驗證的貝爾不等式，為后人提供了進行實證研究的框架，針對量子糾纏的相關(guān)實驗工作才真正起步?？茖W(xué)家在進行定量實驗時，如果證明貝爾不等式成立，那么愛因斯坦的局域?qū)嵲谡撌钦_的，量子力學(xué)確實是不完備的。但在此后幾十年中，多次實驗結(jié)果卻在一步步指向與愛因斯坦相悖的方向：貝爾不等式是不成立的。
“在貝爾不等式提出后不久，美國的克勞澤成為最早一批對貝爾不等式進行了理論分析，和實證研究的學(xué)者。此后，法國的阿斯佩等人則在克勞澤的成果基礎(chǔ)上首次做出了比較可靠的實驗。而奧地利的澤林格在80年代進入到這個領(lǐng)域，在90年代首次進行了無因果漏洞的實驗?！?尹璋琦對記者介紹道，“這三位學(xué)者針對貝爾不等式和背后的EPR佯謬，做了從理論到實驗的一系列工作?！?克勞澤、阿斯佩和澤林格的實驗測試，均驗證貝爾不等式是不成立的，證實了量子糾纏的真實性，也就是說：愛因斯坦當年關(guān)于“鬼魅般超距作用”的質(zhì)疑是錯誤的！量子力學(xué)是完備的！
早在2010年，克勞澤、阿斯佩和澤林格三人就曾因圍繞貝爾不等式和量子糾纏的實驗研究，獲得第23屆沃爾夫物理學(xué)獎，今年再次斬獲諾貝爾物理學(xué)獎，也算實至名歸。他們的研究成果相輔相成，共同拓展了人類探索量子力學(xué)的新視野。而這些在實驗技術(shù)上的貢獻，也讓量子的糾纏性質(zhì)從抽象的理論中走向現(xiàn)實：即然兩個粒子在形成糾纏態(tài)后，無論相互間相距多遠，其中一個粒子的狀態(tài)能瞬間決定另一個粒子的狀態(tài)，那如果把量子糾纏應(yīng)用于通信領(lǐng)域，那豈不是會帶來顛覆性的技術(shù)革新？于是，在量子糾纏尚處在理論研究與實驗室階段時，人們就迫不及待地將之與人類社會的信息傳播技術(shù)發(fā)生耦合，并撬動了一個新興產(chǎn)業(yè)——量子信息技術(shù)發(fā)展的大門。
?量子信息在中國?
80年代開始，科學(xué)家在進行多年探索的基礎(chǔ)上，逐步將以量子糾纏為中心的量子力學(xué)理論引入到信息科學(xué)領(lǐng)域，量子信息技術(shù)這種戰(zhàn)略性前沿科技應(yīng)運而生。這種技術(shù)利用量子態(tài)來進行編碼、傳輸、處理和存儲，從根本上突破了現(xiàn)有信息技術(shù)在物理和運算速度上的極限，在通信安全和加密等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。“而中國在量子糾纏領(lǐng)域的研究和應(yīng)用方面做了大量工作，且一直處于該領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究的最前沿?！?尹璋琦評價道。
在很多自然科學(xué)研究領(lǐng)域，中國經(jīng)常以后進生的面貌奮起直追，完成超越。但在量子信息領(lǐng)域卻大不相同：在起步階段，中國就與世界前沿保持同步，中國科學(xué)界親身參與甚至領(lǐng)導(dǎo)相當部分的前沿科研項目。中國的量子信息，最早起步于量子光學(xué)的研究。早在1984年，中國早期的量子物理先驅(qū)郭光燦、鄧質(zhì)方、彭堃墀和吳令安等人，就在美國訪學(xué)期間齊聚一堂，開創(chuàng)了中國量子光學(xué)的先河。歸國后，這一批老一輩科學(xué)家將量子力學(xué)的最新研究成果如播種一般傳播到國內(nèi)。而在推動國內(nèi)量子光學(xué)的研究過程中，郭光燦很快意識到量子信息這一新興學(xué)科的廣闊前景，遂以量子密碼為入口展開研究。到90年代，郭光燦的研究很快取得了階段性成果。1997年他與他的學(xué)生段路明合作，首次在國際上提出量子避錯編碼的方法，成果克服了量子計算中的消相干問題，為日后量子計算技術(shù)的發(fā)展掃清了一大障礙。這一研究成果使兩人在國際上名聲大噪，完成了中國科學(xué)界在國際量子信息領(lǐng)域的首秀。
就在郭光燦與段路明蜚聲世界的同一年，奧地利因斯布魯克大學(xué)的物理學(xué)實驗室里，日后的諾貝爾物理學(xué)獎得主澤林格，也取得了在量子信息領(lǐng)域的重大突破：他的科研團隊首次完成了量子隱形傳態(tài)的的原理性實驗驗證，被人們譽為量子信息實驗領(lǐng)域的經(jīng)典之作。
而此刻，在他的團隊里，就有一張年輕的中國面孔，這就是日后成為中國量子信息領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物、中科院院士潘建偉。這一年，他只有27歲，是澤林格麾下的一名博士研究生。
△潘建偉（中）曾是澤林格（右）的博士生（來源：維也納大學(xué)）
在攻讀博士期間，潘建偉參與了澤林格關(guān)于量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證工作，并作出了突出的貢獻.在獲得博士學(xué)位后，潘建偉繼續(xù)留在澤林格的科研團隊中開展研究，成為澤林格的得力干將。“（頒獎典禮的時候）提到我導(dǎo)師的工作，除了他的那篇理論文章之外，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?！迸私▊ミ@樣介紹他在澤林格團隊時所做的工作。而澤林格在2021年接受法蘭克福匯報采訪時，曾這樣回憶：“潘建偉在奧地利一待就是八年，從博士一直到博士后，他在選擇研究方向時進行了深入的策略性思考，始終是一個極為熱心的科學(xué)家?！?/p>
時間來到了世紀之交，2001年，潘建偉回國，在中科院、基金委和科技部的強力支持下，籌建量子物理與量子信息實驗室。而此時，他在奧地利維也納大學(xué)的多光子糾纏研究還在推進，于是這個年輕人開始中國-奧地利之間來回奔波，一面將自己的量子糾纏研究推向新得國際高度，一面充分利用自己在歐洲的科研資源，將該領(lǐng)域的國際先進成果搬運到國內(nèi)，幫助國內(nèi)的科研人員完成量子力學(xué)的知識積累，其中為了將德國海德堡大學(xué)先進的超冷原子技術(shù)帶回國內(nèi)，補足中國在量子存儲技術(shù)上的缺憾，他本人更是直接以客座教授身份赴海德堡大學(xué)從事量子存儲的研究工作。此外，潘建偉還積極選派多位青年學(xué)者赴歐洲各國領(lǐng)先的學(xué)術(shù)機構(gòu)進行考察與研究，并將其招入自己在海德堡大學(xué)新組件的研究團隊。歐洲的研究拓展，中國的基礎(chǔ)搭建，這兩項工作雖遠隔萬里，卻在潘建偉的不懈努力下，逐漸像兩顆產(chǎn)生糾纏關(guān)系的粒子，開始同步起來。
經(jīng)過多年對國際先進技術(shù)與經(jīng)驗的學(xué)習(xí)與吸收，潘建偉在海德堡組建的中國團隊在量子信息技術(shù)領(lǐng)域已處于國際領(lǐng)先地位. 2008年，這個團隊的青年才俊們帶著瑞士的探測器技術(shù)，美國的量子器件技術(shù)與精密測量技術(shù)，德國的冷原子技術(shù)，以及一腔報國熱忱，隨潘建偉歸國，以中國科大為中心，和郭光燦，段路明等開拓者一道，全身心投入國內(nèi)的科研工作。很快，中國的量子信息技術(shù)研究就獲得了一系列重大突破。
2011年，郭光燦團隊成功研制了從合肥到蕪湖200公里的城際量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，隨后又先后成功完成八方量子通信復(fù)雜性實驗、量子惠勒延遲選擇實驗、實現(xiàn)光子偏振態(tài)固態(tài)量子存儲等世界最高水準研究工作。而同樣是在21世紀的第二個十年，潘建偉團隊更是在多粒子糾纏制備、量子隱形傳態(tài)、量子計算，以及保密量子通信等多個細分領(lǐng)域，斬獲了震驚海內(nèi)外的成果。
?大豐收與大愿景?
2016年起，中國量子信息技術(shù)研究迎來了大豐收：世界首顆空間量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子”號升空，潘建偉擔任首席科學(xué)家。
△2016年11月26日，“墨子”號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星正與興隆量子通信地面站建立天地鏈路（來源：新華社）
次年，潘建偉團隊承擔的量子保密通信“京滬干線”正式開通，并實現(xiàn)與“墨子”號的天地鏈路。并公開演示了北京到維也納之間的洲際量子保密通信。同年，潘建偉團隊聯(lián)合其他團隊利用“墨子”號在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)。
中國在量子信息領(lǐng)域的突飛猛進，讓潘建偉的導(dǎo)師澤林格即驚訝又欣慰。其實早在上世紀80年代開始，澤林格就積極與中國科學(xué)界開展合作，致力于量子力學(xué)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)與國際科研合作等工作。他本人就是中國科學(xué)院外籍院士，還曾榮獲2020年度中國政府友誼獎，可以說，他身上一直有著濃郁的中國色彩，只是近幾年中國量子信息的發(fā)展實在超出了他的預(yù)料，他曾對法蘭克福匯報記者感慨道：“潘建偉和他的團隊，從組建到開展工作，都得到了中國政府的大力支持，這是相當了不起的。中國的項目開展得比西歐任何國家都要系統(tǒng)。2016年我現(xiàn)場見證了’墨子’號衛(wèi)星的成功發(fā)射，衛(wèi)星上凝聚了很多我們在奧地利的研究工作，中國在量子技術(shù)方面實在是領(lǐng)先歐洲一大步！”而作為澤林格的得意門生，潘建偉這樣評價這一時期，中國科學(xué)家在量子信息領(lǐng)域做出的突出貢獻：“如果（量子信息）的發(fā)展前景不好，如果我們沒有做到像后來的量子優(yōu)越性和量子通信，或者像墨子號這么遠的話，這個領(lǐng)域就只是一個夢，不能變成現(xiàn)實，在把這個夢變成現(xiàn)實的過程中，中國的科學(xué)家作了很大貢獻?！?/p>
“目前國家對量子信息這個方向特別重視，在十四五規(guī)劃中所提到的前沿科技中，量子信息排在第二位，僅次于人工智能。從國家層面來說不缺支持，研究層面也不缺人力資源，而在真正產(chǎn)業(yè)落地方面，近年來也有不少新的創(chuàng)業(yè)公司，拿到了不少風(fēng)投或基金的支持。所以量子信息在我國的發(fā)展前景還是很值得期待的?！?尹璋琦最后總結(jié)道。
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