专访：物理学诺奖史，就是不断完成伟大科学家愿望的过程

10月4日，2022 年诺贝尔物理学奖揭晓，授予阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和安东·塞林格（Anton Zeilinger）三位科学家，“以表彰他们对纠缠光子进行的实验，证明了对贝尔不等式的违背和开创性的量子信息科学”。

世界顶尖科学家论坛连线论坛青年科学家——电子科技大学基础与前沿研究院周强教授和南京大学物理学院马小松教授，对2022年诺贝尔物理学奖进行专业解读并畅想未来量子领域发展。周强教授在物理学奖公布的前一天猜中诺贝尔物理学奖会颁给量子科学领域以及阿兰·阿斯佩，马小松教授与被誉为中国“量子之父”的潘建伟院士师出同门，是安东·塞林格（Anton Zeilinger）的学生。

周强

ZHOU Qiang

世界顶尖科学家论坛青年科学家、电子科技大学基础与前沿研究院教授

研究领域包括量子互联网、量子计算、量子隐形传态、量子光学、量子器件等。周强教授是国际上首个城域量子隐形传态、首个通信波段宽带量子存储器的主要完成人，在量子纠缠互联系统、量子纠缠光源、通信波段固态量子存储器等方面有丰富的经验积累。

马小松

MA Xiaosong

世界顶尖科学家论坛青年科学家委员会成员、南京大学物理学院教授

课题组致力于建立基于光子的量子信息处理系统，具体研究方向包括多光子量子态的产生、存贮，调控和探测等。马小松教授观测到光的波粒两项性的可控量子叠加，并为未来的量子技术提供了新的控制手段，此研究获2019年度中国光学十大进展基础研究类奖项。

颁给量子信息

突出了科学发展“传帮带”的精神

WLA Forum：周强老师第一时间就预测了物理学奖会颁给量子信息领域以及阿兰·阿斯佩，为何如此坚定地认为这个领域会获奖？

周强：量子信息科学，是从量子力学一脉相承下来的。我们看诺贝尔物理学奖的历史，量子力学领域曾多次拿奖，量子信息作为量子力学的后续发展，拿奖是早晚的事。

我们快速回顾一下发展时间脉络——

从1935年，爱因斯坦等人质疑量子力学的正确性提出EPR佯谬开始，引爆了人们对量子力学不完备性的推导；同一年，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）提出了著名的“薛定谔的猫”，试图通过反证法或者是极端推演法表明量子力学存在问题；

到30年后的1964年，贝尔发展爱因斯坦的观点提出“贝尔不等式”，为EPR佯谬中的隐变量理论提供数学模型；

8年后的1972年，克劳泽-弗里德曼实验证明非局域量子纠缠的真实存在，这是人类第一次在贝尔理论的指导下，制备并观察到光量子纠缠，也是第一次对贝尔不等式的违背进行实验验证；

1982年，阿斯派发展了更加严谨的量子纠缠实验，进一步填补了克劳泽实验的漏洞，证明爱因斯坦等人的“局域性”不再成立，再一次对贝尔不等式的违背进行实验验证；

再到90年代，安东·塞林格领导课题组用非线性光学与量子光学的办法实现量子纠缠光源，首次完成了量子隐形传态、量子纠缠交换的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的开山之作，推动量子信息领域朝着Quantum Networks（量子互联网）的方向去发展。经过整整半个世纪，科学家才在实验上部分回答了爱因斯坦关于量子理论完备性的讨论。

爱因斯坦在“量子力学”发展中一直像一个“反派”人物。他的“我始终相信上帝不会掷骰子”流传很广并被视为反对“量子力学”的最佳证明。但事实上，爱因斯坦并非反对“量子力学”，而是一直试图去解释量子力学提出的基本假设，比如量子态相干叠加原理，去证明量子力学的不完备性。

也正因为爱因斯坦之于“量子力学”的“反派”存在，才一直促使后辈科学家们不断地努力对他进行反驳，推动了这一领域的发展。爱因斯坦和玻尔两位科学大师就量子问题细节的论战也是科学精神最为淋漓尽致的体现，是人类科学发展不可多得的精神财富。

今年物理诺奖为什么要给量子信息，因为诺贝尔物理学奖已经错过了约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)，贝尔继承了爱因斯坦的伟业去证明量子力学的不完备性，从而提出了贝尔不等式（Bell's inequality）。今年物理学诺奖的三位科学家，通过实验证实了贝尔不等式在量子世界中不成立，在此基础之上，把量子纠缠资源引入当下科技生活之中，发展出了量子信息技术。所以我认为诺贝尔奖应该给到量子信息这个领域，事实上早就应该给到贝尔。量子信息领域也因此给出了一个谐音梗“No-Bell Prize”。

马小松：了解今年的诺奖成就“量子信息”之前，必须先理解这两个概念，“量子”和“量子纠缠”。当一个物体存在最小的不可分割单元时，我们就说它是量子化的，并把这个最小单元称为一个量子。这个概念由德国物理学家普朗克在1900年研究黑体辐射时率先提出。量子化是量子力学的主要特征之一。除了能量以外，电荷、粒子自旋等物理量也是量子化的。我们了解了微观世界的原子和分子，而想要更好地描述世界，所依赖的理论依据就是量子力学。

Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

如果量子力学描述的现象正确的话，两个用户A和B，无论间隔的空间和时间有多远，他们之间永远能产生关联。这就是神奇的量子纠缠现象。从20世纪70年代末开始，科学家们就在进行量子纠缠方面的工作。这次三位科学家在诺奖评选中的胜出，赢在了他们对于量子物理最关键工作的印证，包括对贝尔不等式的违背，这些实验研究极大地促进了产业发展，凸显出了量子力学和经典力学的不同之处。

利用量子纠缠，科研工作者们已经陆续在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域做出实践性开拓。其中量子通信就是贝尔不等式违背的一个重要应用场景。量子通信最大的优点是安全，它不会改变我们目前的信息通信形态，但却能够让信息更加安全。可以看做是一个自带“保险柜”的加密通信过程，假如有人试图在通信过程中窃取信息，那么正在通信的双方就会迅速得知。因此，在未来拥有广阔的前景。

周强：从某种意义上说，获得诺贝尔物理学奖的途径之一，就是完成伟大物理学家们的愿望。比如说，关于“量子纠缠”是爱因斯坦和量子力学哥本哈根学派创始人玻尔贝生前喋喋不休辩论的一个问题；贝尔对他们的争论在理论上做了重要补充，后来通过实验发展至今，并证明具有非常可观的应用前景。我想这是诺奖委员会最想看到的，既有坚实的理论“传帮带”，又衍生出未来蓬勃的产业发展机会。我们的年轻科学家肯定会想我们怎么去拿诺贝尔奖？有一个角度就是去看看伟大科学家的愿望清单还有哪些。

安东·塞林格印象：

60多岁还要跟年轻人做实验

WLA Forum：安东·塞林格教授是小松教授在奥地利读博士和博士后阶段的导师，能否跟我们分享一下您对他的印象以及他对您的一些影响？

马小松：我是2005年开始在安东·蔡林格教授的一个课题组做博士生研究，2010年博士生毕业，之后又继续做了两年博士后。这个7年的时间跨度当然有很多点点滴滴的事情，不管是在实验科学研究还有在生活上都跟安东有很多的接触。

安东风趣、幽默，富有人情味。对于基础物理一直保持着浓厚的兴趣和好奇心。我主要想分享一件影响我一生的案例：我们在2008年开始做一个长距离的室外量子隐态传送实验计划，选址在西班牙加拉利群岛中的两个岛之间。除了不断优化实验提升成功率外，我们更多受制于外场的天气因素。2010、2011年，连续两年遭受了撒哈拉沙漠的沙尘暴影响，实验均未能完成。

2012年的5、6月，我们第四年踏上同样的路程。那一年，起初因为沙尘暴影响也不顺利，后来天气好转后，大家心情受到了极大鼓舞；但更重要的是，安东赶来了现场。

那个时候，安东已经60多岁，功成名就，却自己一个人坐飞机、到机场后租车，一人一路驱车开到了海拔2000多米的实验观测站点，每天从晚上九点到次日早上六点，跟我们一起做实验。仔细了解实验当中的痛点和问题，跟我们讨论实验如何改善，这对我们实验工作的开展和进步有非常大的帮助和支持。作为一个早期的科研工作者能够得到如此资深专家的贴身指导，对我而言是受益终身的。

马小松教授和安东·塞林格教授合影

周强：今年的物理学诺奖颁给安东也是实至名归。第一，安东将量子纠缠光源做得更加实用，使之进一步得以工程化，实现更多的应用发展，增强了人们对科学理论的信心。第二，在他领导下，科学家们做出了量子隐形传态、量子纠缠交换等实验验证，为量子信息的未来发展奠定了基础。今年物理诺奖委员会的发言人提到，量子信息现在的走向是Quantum Networks（量子互联网络）。量子互联网络里面有一个很迫切的需求，就是要把量子资源进行高速、高保真、长距离的传递，那么这里面有一个技术叫量子纠缠交换。在前人（比如克劳泽和阿兰）的实验里面是很难做到的，这也是他独立于其他两位前辈的研究成果。

2022物理诺奖

有中国人的贡献

WLA Forum：如何理解今年诺奖委员会提到的诺奖成果中有中国人的贡献，以及目前中国在量子科学方面的发展？

周强：物理学诺奖颁给量子信息，尤其是颁给安东，这里面有中国人的贡献。量子互联网逐渐走向实用，我们国家在这方面做了非常重要的贡献。潘建伟院士和马小松老师都是安东培养的优秀科学家，通过潘建伟院士领衔的“墨子号”量子科学实验卫星，安东团队以合作形式参与到中国科学院主导的洲际量子通信实验。在颁奖现场，诺奖委员会发言人提及到这个实验。诺奖奖励首创性工作，最多一个奖项只有三个名额，如果有更多的名额，我想还有很多优秀的科学家都会在名单之列。

2016 年 8 月 16 日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星 " 墨子号 " 发射升空。

目前我国正在扎实推动量子信息科技从理论到实验再到工程应用。我想此次获奖的几位科学家应该还有一个梦想，就是在不远的未来，让人人都能用上量子计算机，人人都能够用上量子加密的信息网络，实现量子互联网。

我想今年颁发的诺奖将进一步坚定我国大力发展量子科学的决心。在这么一个时刻，我们应该会对此更有信心。

量子计算获诺奖

还需要多久？

WLA Forum：未来量子计算是否有机会拿诺奖？量子计算的应用可能会比量子通信更晚，那么大概多少年以后我们可以看到有应用前景或者像刚刚周老师说的愿景——人人都用上量子计算机？

马小松：如果说量子计算要拿奖，或者说要有一些真正的商业性应用，对我们日常生活有一些帮助，它必须找到一个实际的算法。目前我们虽然已经有一系列实验工作体现了量子系统能够超越经典系统的一些特定任务的演示，但是这些特定任务跟我们的实际需求和实际问题能否联系在一起，是接下去需要进一步考量的问题，这里存在巨大挑战。我相信如果这些挑战能够完成，量子计算离实用性的应用会更进一步。

周强：量子计算无疑是一个重要方向，它一定会拿诺贝尔物理学奖，不知道会是什么时候。我们回头看，量子计算也是在完成一些伟大物理学家的愿望，其中一个就是理查德·菲利普斯·费曼（Richard Phillips Feynman）。费曼提出量子计算（模拟）的概念，是因为用现在的计算机去解决量子物理问题的时候困难重重，随着体系的变大我们耗费的资源越来越多，多到经典的手段无法解决，他希望后来的科学家研究出服从量子力学规律的机器，能够直接去处理量子物理系统的问题。近40年过去了，现在还没有达到费曼最初的设想。那么，以后的年轻科学家如果达到了费曼当初的设想，量子计算能够做一些实际的问题求解，我想诺奖委员会应该会考虑颁奖给与此次获奖者相似的量子计算先驱们。

现在有很多优秀的年轻科学家会投入进来做量子计算机。如果更多优秀科学家转到量子计算机行业来发展，组织更多的人力物力研究量子计算机，我想费曼的愿望能够早日实现，那个时候将是颁发诺奖给量子计算的一个时机。

撰文|排版：陈 墨

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