斬獲諾獎的量子信息領域，中國貢獻幾何？
量子信息相關研究獲得2022物理諾獎，該領域背后一直活躍著中國科學界的身影。他們貢獻幾何？我國量子技術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（北京理工大學物理學院量子技術研究中心教授）
“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年度諾貝爾物理學獎獲得者之一時，奧地利物理學家澤林格激動地對媒體說道。
2022年10月4日，2022年度諾貝爾物理學獎正式揭曉，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，這三位物理學家都是量子物理學領域的大拿。
諾貝爾物理學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)量子信息科學方面”所做出的貢獻?？吹街Z貝爾獎再次花落量子力學領域，很多關注諾獎的科學愛好者在欣喜之余，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領域而言，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界的身影。諾貝爾物理學獎委員會主席托爾斯·漢斯?jié)h森還特別強調了中國的“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家共同創(chuàng)立了量子力學。這一頗具革命性的學科極大顛覆了人們對物質結構以及其相互作用的認知，很多經典力學無力觸及的微觀系統(tǒng)現(xiàn)象，在量子力學的框架下得以解釋，并能夠得到精確的實驗證明。
作為現(xiàn)代物理的重要基礎概念，量子是構成這個世界最小、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構建的世界中，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)，就好像彼此產生了“心靈感應”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。
△量子糾纏藝術設想圖（來源：瑞典皇家科學院）
量子糾纏顛覆了以往經典物理的世界觀，在20世紀初期很多著名物理學家眼中簡直是離經叛道。在愛因斯坦看來，任何粒子之間要產生相互作用，必須依靠介質才能實現(xiàn)。但介質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實在論。而量子糾纏現(xiàn)象顯然違背了這一理論，如果產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，以此質疑量子力學的完備性，這被后世稱為‘EPR’詳謬?！?北京理工大學物理學院量子技術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注者并不多，科學家也只是作了一些純理論方面的探索，缺少實證工作?！币扮鶎τ浾呓忉尩?。直到1964年，愛爾蘭物理學家約翰-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實驗工作才真正起步?？茖W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實在論是正確的，量子力學確實是不完備的。但在此后幾十年中，多次實驗結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，和實證研究的學者。此后，法國的阿斯佩等人則在克勞澤的成果基礎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：愛因斯坦當年關于“鬼魅般超距作用”的質疑是錯誤的！量子力學是完備的！
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屆沃爾夫物理學獎，今年再次斬獲諾貝爾物理學獎，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的新視野。而這些在實驗技術上的貢獻，也讓量子的糾纏性質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用于通信領域，那豈不是會帶來顛覆性的技術革新？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發(fā)生耦合，并撬動了一個新興產業(yè)——量子信息技術發(fā)展的大門。
?量子信息在中國?
80年代開始，科學家在進行多年探索的基礎上，逐步將以量子糾纏為中心的量子力學理論引入到信息科學領域，量子信息技術這種戰(zhàn)略性前沿科技應運而生。這種技術利用量子態(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?！岸袊诹孔蛹m纏領域的研究和應用方面做了大量工作，且一直處于該領域學術研究的最前沿?！?尹璋琦評價道。
在很多自然科學研究領域，中國經常以后進生的面貌奮起直追，完成超越。但在量子信息領域卻大不相同：在起步階段，中國就與世界前沿保持同步，中國科學界親身參與甚至領導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的研究。早在1984年，中國早期的量子物理先驅郭光燦、鄧質方、彭堃墀和吳令安等人，就在美國訪學期間齊聚一堂，開創(chuàng)了中國量子光學的先河。歸國后，這一批老一輩科學家將量子力學的最新研究成果如播種一般傳播到國內。而在推動國內量子光學的研究過程中，郭光燦很快意識到量子信息這一新興學科的廣闊前景，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，完成了中國科學界在國際量子信息領域的首秀。
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的物理學實驗室里，日后的諾貝爾物理學獎得主澤林格，也取得了在量子信息領域的重大突破：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域的經典之作。
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域的領軍人物、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）
在攻讀博士期間，潘建偉參與了澤林格關于量子隱形傳態(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?！埃C獎典禮的時候）提到我導師的工作，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。”潘建偉這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，將該領域的國際先進成果搬運到國內，幫助國內的科研人員完成量子力學的知識積累，其中為了將德國海德堡大學先進的超冷原子技術帶回國內，補足中國在量子存儲技術上的缺憾，他本人更是直接以客座教授身份赴海德堡大學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者赴歐洲各國領先的學術機構進行考察與研究，并將其招入自己在海德堡大學新組件的研究團隊。歐洲的研究拓展，中國的基礎搭建，這兩項工作雖遠隔萬里，卻在潘建偉的不懈努力下，逐漸像兩顆產生糾纏關系的粒子，開始同步起來。
經過多年對國際先進技術與經驗的學習與吸收，潘建偉在海德堡組建的中國團隊在量子信息技術領域已處于國際領先地位. 2008年，這個團隊的青年才俊們帶著瑞士的探測器技術，美國的量子器件技術與精密測量技術，德國的冷原子技術，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，全身心投入國內的科研工作。很快，中國的量子信息技術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絡，隨后又先后成功完成八方量子通信復雜性實驗、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域，斬獲了震驚海內外的成果。
?大豐收與大愿景?
2016年起，中國量子信息技術研究迎來了大豐收：世界首顆空間量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號升空，潘建偉擔任首席科學家。
△2016年11月26日，“墨子”號量子科學實驗衛(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)。
中國在量子信息領域的突飛猛進，讓潘建偉的導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界開展合作，致力于量子力學領域的人才培養(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，中國在量子技術方面實在是領先歐洲一大步！”而作為澤林格的得意門生，潘建偉這樣評價這一時期，中國科學家在量子信息領域做出的突出貢獻：“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?！?尹璋琦最后總結道。
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