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科普：為第二次量子革命奠定基礎（主題）

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——解讀2022年諾貝爾物理學獎（副題）

新華社北京10月4日電（記者馮玉婧）以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命、曾被愛因斯坦質(zhì)疑的量子糾纏、中國在全球率先發(fā)射的量子衛(wèi)星……這些都是與剛剛揭曉的2022年諾貝爾物理學獎相關的熱門話題。

瑞典皇家科學院4日宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學”方面所做出的貢獻。

量子力學從上世紀初誕生以來，催生了晶體管、激光等重大發(fā)明，這被科學界稱為第一次量子革命。近來，以量子計算和量子通信為代表的第二次量子革命又在興起。瑞典皇家科學院在諾獎公報中說，今年三位獲獎者在量子糾纏實驗方面的貢獻，“為當前量子技術領域正發(fā)生的革命奠定了基礎”。

量子糾纏長期是量子力學中最具爭議的問題之一。量子糾纏是一種奇怪的量子力學現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變，另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應改變。

在很長一段時間里，以愛因斯坦為代表的部分物理學家對量子糾纏持懷疑態(tài)度，愛因斯坦稱其為“鬼魅般的超距作用”。他們認為量子理論是“不完備”的，糾纏的粒子之間存在著某種人類還沒觀察到的相互作用或信息傳遞，也就是“隱變量”。

20世紀60年代，物理學家約翰·貝爾提出可用來驗證量子力學的“貝爾不等式”。如果貝爾不等式始終成立，那么量子力學可能被其他理論替代。

為了對貝爾不等式進行驗證，美國科學家約翰·克勞澤設計了相關實驗，其中使用特殊的光照射鈣原子，由此發(fā)射糾纏的光子，再使用濾光片來測量光子的偏振狀態(tài)。經(jīng)過一系列測量，克勞澤能夠證明實驗結果違反了貝爾不等式，且與量子力學預測相符。

但這個實驗具有局限性，原因包括實驗裝置在產(chǎn)生和捕獲粒子方面效率較低、濾光片處于固定角度等。在此基礎上，法國科學家阿蘭·阿斯佩設計了新版本的實驗，測量效果更好。阿斯佩填補了克勞澤實驗的重要漏洞，并提供了一個非常明確的結果：量子力學是正確的，且沒有“隱變量”。

奧地利科學家安東·蔡林格后來對貝爾不等式進行了更多的實驗驗證。其中一項實驗使用了來自遙遠星系的信號來控制濾波器，確保信號不會相互影響，進一步證實了量子力學的正確性。蔡林格和同事還利用量子糾纏展示了一種稱為量子隱形傳態(tài)的現(xiàn)象，即將量子態(tài)從一個粒子轉移到另一個粒子。其團隊還在量子通信等方面有諸多研究進展。

其中一項重要成果就是，2017年中國與奧地利科學家借助中國的“墨子號”量子衛(wèi)星，成功實施世界首次量子保密的洲際視頻通話。這也是為什么諾貝爾物理學獎評委托爾斯·漢斯·漢森在現(xiàn)場解讀獲獎成果時，展示了一張含有中國量子衛(wèi)星的圖片，其上顯示了中國和歐洲之間的洲際量子通信實驗。

諾獎官方公報說，世界各地的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多利用量子力學強大特性的新方法，而這些都得益于今年三位獲獎者的貢獻。他們掃除了貝爾不等式等“攔路虎”，這也是為什么公報稱贊“他們的結果為基于量子信息的新技術掃清了道路”。

標簽： 量子力學 貝爾不等式 量子糾纏