2022年諾貝爾物理學獎頒給了三位科學家，美國的克勞澤（John F. Clauser）、法國的阿斯佩（Alain Aspect）、奧地利的塞林格（Anton Zeilinger），理由是「因為用糾纏光子做的實驗，確認了貝爾不等式的違反和開創了量子信息科學」（for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science）。普通讀者可能會迷惑，這說的是啥？但同時，媒體廣泛報道了塞林格就是中國著名量子信息科學家潘建偉的博士導師，這是所有人都能看明白的。那麼大家又會問，中國對量子信息的貢獻有多大？以後中國科學家會不會因此得到諾貝爾獎？在這裡，我就簡短地向大家介紹一下。
2022年諾貝爾物理學獎
（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/summary/）
首先，有一個最基本的詞是「量子」。這是因為有一個物理學理論叫做量子力學，它是當今物理學的兩大基礎理論之一，跟相對論並列。半導體、激光、發光二極管、衛星導航系統等現代技術，都是量子力學的成果。甚至可以說，所有的電器都用到了量子力學，因為導電性必須要用量子力學才能解釋。
理解導電性，必須要用量子力學推出的能帶理論
量子力學出現以後，人們就把日常生活中的理論即牛頓力學又稱為經典力學。所以現在量子和經典常常作為一對形容詞，例如量子計算機對經典計算機。
量子力學的重要性在於，它是描述微觀世界的本質理論。當我們深入到分子、原子以及更小的尺度時，就發現經典力學總是錯誤的，量子力學總是正確的。而在描述宏觀世界的時候，量子力學就會簡化為經典力學，所以經典力學正確的地方量子力學總是正確的。這就是兩者的關係。
這次諾貝爾獎的成果，歸根結底是解決了一個基本世界觀的問題：一個物理量在測量之前是不是必然有一個確定的值？
乍看起來，這完全不是個問題。你要測一個物理量，當然是有一個確定的值在那裡等着你去測！這還用問嗎？這就是經典的世界觀。正如一首著名的詩：「你見，或者不見我，我就在那裡。」
《班扎古魯白瑪的沉默》
（很多人以為這首詩是倉央嘉措寫的，其實並不是，是當代女詩人扎西拉姆·多多即談笑靖寫的）
然而，量子力學的世界觀卻不是這樣。量子力學是明確地告訴大家，一個物理量在測量之前並不一定有確定的值，這取決於測量的設置。對某些狀態和某些物理量，確實有一個確定的值，在這種情況下測量這個量必然會得到這個值，這就和經典的情況一樣。然而在其他一些狀態下，測量這個量就不會得到確定的結果，而是會概率性地得到若干個可能的結果之一。量子力學能夠預測這些可能的結果是什麼以及它們出現的概率，但不能預測單次測量的結果。
比如說，量子力學可能會告訴你，某個體系的某個性質取0和取1的概率各佔一半。這話的意思是，製備很多同樣的體系，去測量這個性質，比如說測一萬次，那麼會有五千次左右得到0，五千次左右得到1。在這個層面上，量子力學預測得很准。但如果你只做一次測量，問這次會得到什麼？量子力學就會告訴你無法預測，我們唯一可預測的只是概率。
馬呂斯定律：一個偏振的光子通過與它的偏振方向成θ角的偏振片的概率是cos2θ，即θ = 0°時必然通過，θ = 90°時必然通不過，θ = 45°時一半概率通過，一半概率通不過
因此，量子力學在哲學上有一個驚人的後果：同一個原因可以得到不同的結果。換句話說，就是世界上存在真正的隨機性。而在經典世界裏，同一個原因必然得到同樣的結果。平時見到的隨機性，如擲硬幣，只是因為對初始條件了解得不夠多，實際上是偽隨機。這是兩者一個本質的區別。
表現這種區別的最典型的體系，就是「糾纏態」，這是一種兩粒子或更多粒子的狀態。很多人可能都聽說過這個概念，並聽說過這樣的比喻：有兩個球，一黑一白，把兩個球分別寄給兩個人。如果你打開盒子發現你收到的是黑球，那麼你立刻就知道了另一個人收到的是白球。很多人可能覺得，這就是量子糾纏。
量子糾纏
但實際上，這個類似開盲盒的比喻遺漏了一個重點。在這個比喻中，球是黑是白是早就確定的，這是經典的世界觀。但在量子糾纏中，測量結果是不確定的！諾貝爾獎委員會為此畫了一幅漫畫，來表現兩種世界觀的區別。在量子糾纏中，球在測量之前既不是黑的也不是白的，可以認為它是灰的。直到你測量的一瞬間，這個灰球才突然變成了黑球或白球，兩者的概率各佔一半。同時你就知道了另一個球的顏色，你的測量同時確定了兩個球的顏色。這才是量子糾纏，它比開盲盒奇妙得多。
諾貝爾委員會介紹中使用的「黑球白球」例子
（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/）
到這裡為止，你可能會感到這些雖然很有趣，但無法實驗驗證。無論球在測量之前有沒有確定的顏色，測量之後它不就確定了嗎？這能看出什麼差別？
事實上，量子糾纏是愛因斯坦和他的兩位助手波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）在1934年提出來的，目標是駁倒量子力學，因為他們認為這是荒謬的。而另一位大科學家玻爾（Niels Henrik David Bohr）為此跟愛因斯坦進行過長期的辯論。但在大多數科學家看來，這只是空對空的哲學爭論，因此並不關注。
玻爾與愛因斯坦
然而，六十年代北愛爾蘭科學家貝爾（John Stewart Bell）指出一件石破天驚的事：這個區別實際上是可以檢驗的！他提出了一個不等式，把各種可能的測量結果的概率加加減減，只要這些待測的量在測量之前就有確定值，那麼這些概率的這種組合的結果就必然有個上限，這就是貝爾不等式（Bell』s inequality）。但存在某些量子的糾纏態，使得這些概率的組合超過這個上限。因此，人們可以做實驗去檢驗貝爾不等式。假如發現這個不等式不成立，就說明經典的世界觀是錯誤的，量子的世界觀才是正確的。
貝爾與貝爾不等式
這次的三位獲獎者，都做了檢驗貝爾不等式的工作。1972年，克勞澤和弗里德曼（Stuart Freedman）首次做了這樣的實驗，發現確實違反貝爾不等式，量子力學是對的。但他們的實驗還比較粗糙，人們可以說，如果大自然鐵了心要作弊，是有漏洞可鑽的。例如他們的兩個探測器之間離得比較近，只有3米（https://news.berkeley.edu/2022/10/04/physics-nobel-recognizes-berkeley-experiment-on-spooky-action-at-a-distance），假如有人在這兩個探測器之間以光速傳信息作弊，原則上是可行的。然後阿斯佩等人在1982年改進了這個實驗，堵上了一些漏洞。此後塞林格等人堵上了更多的漏洞，進一步確認了量子力學的正確。
弗里德曼以及他和克勞澤檢驗貝爾不等式的實驗裝置
順便說一句，弗里德曼就是我的同事、科大少年班學院院長盧征天教授的博士導師。他原本有希望獲得諾貝爾獎，但在2012年意外去世，沒能等到今天。實際上他是1944年生的，比克勞澤還小兩歲。兩人合作時，弗里德曼是博士生，克勞澤是博士後。以前我和很多人都只知道阿斯佩在八十年代初做了檢驗貝爾不等式的實驗，不知道弗里德曼和克勞澤在七十年代就做過，他們倆才是最早的，這是去年盧征天告訴我的信息。沒想到過了一年之後，諾貝爾獎就授予了他們的工作。弗里德曼泉下有知，也該感到欣慰了！
中國科學技術大學少年班學院，左側個子最高的就是院長盧征天教授（https://sgy.ustc.edu.cn/administration）
到這裡為止，很多人可能會覺得，這些成果只是在世界觀層面非常重要，但跟現實生活似乎沒有關係。然而實際上，這個世界觀的變化會帶來很多實實在在的技術。這就是諾貝爾獎頒發理由中說的量子信息，其實現在媒體報道的量子科技十有八九指的就是量子信息。它是二十世紀八十年代以來量子力學與信息科學嫁接出現的一門新學科，有望實現許多傳統信息技術無法實現的效果。例如，傳送術。
是的，傳送術現在是一個真實的技術，它的專業名稱叫做量子隱形傳態（quantum teleportation）。
《星際迷航》中的傳送術
不過我們需要立刻說明一下，我們現在還不能傳送一個人，能傳送的是一個粒子。具體而言，它是利用一對糾纏粒子1和2，把3號粒子的未知狀態傳給2號粒子，同時3號粒子的初始狀態就改變了。
量子隱形傳態原理
好比一邊有輛汽車，另一邊有堆汽車零件，實驗結果是把汽車的狀態傳了過去，讓汽車零件組裝成一輛汽車，但原來那輛汽車就解體了。所以這是狀態的傳送而不是複製，你永遠都不會得到兩輛相同的汽車。在我的科普書《量子信息簡話》中詳細介紹了這些原理，並且說到，在所有的量子信息技術中最富有科幻色彩的可能就是量子隱形傳態。
《量子信息簡話》
量子隱形傳態的理論方案是1993年提出的，1997年塞林格的研究組第一次實現了它，其中潘建偉就是第二作者。在諾貝爾獎網站的介紹材料中，還提到了很多量子信息的新成果，如「墨子號」衛星實現天地之間的量子保密通信（跨越4600公里，中國量子通信全球領先，歐美多久才能追上？| 袁嵐峰），通過「墨子號」發送的糾纏對實現兩個相距1200公里的地面站之間的量子隱形傳態（全世界科學家都想做的實驗，中國科學家首先成功了 | 科技袁人），這些都是中國科學家的成就。
量子信息是現在所有科學領域中發展最蓬勃的之一，具體分為量子通信、量子計算和量子精密測量三大部分，有望實現無條件安全的保密傳輸、前所未有的計算能力、前所未有的探測精度等等。因此，量子信息又被稱為第二次量子革命，跟以前帶來半導體、激光等技術的第一次量子革命相對。目前在量子通信方面中國走在世界最前列，在量子計算方面跟美國並列第一方陣，在量子精密測量方面還有不小差距，不過進步迅速。
量子信息的三個分支
因此，這次諾貝爾獎的成果中已經有不少中國科學家的貢獻。以後如果我們取得更大的成果，例如建成全球量子通信網絡，或者造出有實用價值的量子計算機，或者用量子精密測量技術發現暗物質，獲得諾貝爾獎也是完全有可能的。當然，這些成果的價值遠遠不只是諾貝爾獎了。也許，你就會做出關鍵貢獻。
■ 擴展閱讀
《袁嵐峰：中國量子力學後發，要看將來》（https://www.guancha.cn/YuanLanFeng/2022_10_09_661224.shtml）
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2022年諾貝爾物理學獎正解：量子糾纏和貝爾不等式的原理與實驗｜韓鋒
■ 作者簡介
袁嵐峰
中國科學院科學傳播研究中心副主任
中國科學技術大學科技傳播系副主任
中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員
科技與戰略風雲學會會長
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