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2022诺贝尔物理学奖:完善量子力学 法美奥科学家获得殊荣
- 2022 -
10/05
08:45
零号员工
发表时间:2022.10.05     作者:Jingyi     来源:ShoelessCai     阅读:252

编辑 | Jingyi

2022年的诺贝尔物理学奖授予 Alain Aspect (音译,阿兰•阿斯佩)、John F. Clauser (音译,约翰•克劳瑟)、 Anton Zeilinger(音译,安东•塞林格),“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反和开创性的量子信息科学”。其中安东·塞林格(Anton Zeilinger)为潘建伟教授的博士研究生导师。中国科学技术大学常务副校长、中科院院士潘建伟是中国量子研究的代表人物。

中国相关领域科学家评论

“这次主要是肯定我们这个领域的几位前辈在量子力学被定性方面的研究,和他们间接、直接地推动了量子信息科学的发展。”潘建伟向财新网表示,2010年这三位科学家就获得了沃尔夫奖,“我们非常高兴地看到10年之后,我们量子信息领域的一些先驱性工作再次得到肯定,尤其是我老师的工作。”

另一名量子研究的代表人物、中科院院士郭光灿,上世纪80年代进入量子光学的研究领域,他评论道:“还是有一些迟来的。”

郭光灿认为,量子纠缠发展的这几十年,大幅提高运算速度。“它的运算速度大幅提高,在实验上已被多次证明,但(诺奖)还没有去承认最原始的量子纠缠、贝尔不等式,这是不完全相称的。所以有点迟来了,但也没关系,总归是来了。”

然而,量子化研究传统问题,不断受到传统领域研究者的质疑和挑战。

物理学泰斗级人物爱因斯坦等多位物理学家的公开质疑。比如关于量子力学中的一个基本概念量子纠缠(quantum entanglement)——即量子世界中,处于量子纠缠态的两个或多个粒子即使分离且相距很远,也表现得像一个整体,其中一个粒子发生的情况可决定另一个粒子的情况,爱因斯坦称量子纠缠为“幽灵般的超距作用”(spooky action at a distance)。他还有一句名言——“上帝不会掷骰子”,也是在否定量子力学中的“测不准原理”,即由于测量的干涉效应,粒子的位置与动量不可同时被测定(财新网)。

阿斯佩博士期间工作

1935年,爱因斯坦 Albert Einstein 、 Boris Podolsky 和 Nathan Rosen 发表了一篇著名的论文,质疑量子力学的完备性。题目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ?”译文,“量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗?”。这就是著名的EPR文章。

他们提出,如果有两个粒子,它们相互作用后分开,这样就会出现对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的情况。爱因斯坦将其称为“幽灵般的超距作用”,人们将他们的论证称为EPR佯谬,或者爱因斯坦定域实在论。“定域实在论” 认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局(知识分子)。

1964年,贝尔 John Stewart Bell 表明,即使允许其他未观察到的特性(“隐藏变量”),在纠缠量子态中产生的两个物理分离粒子的特性之间的某些统计相关性也无法用任何局部确定的的过程来解释。

1982年,阿斯佩的工作,可以总结为,两个粒子分开任意大的距离时,“远距离的幽灵作用”似乎是存在的:两个粒子的波函数之间的相关性仍然存在,因为它们曾经是相同波函数的一部分,而在测量其中一个粒子之前是没有受到干扰的。

针对量子力学不完备的抨击

2015年,荷兰代尔夫特理工大学的 Ronald Hanson,奥地利维也纳大学的塞林格教授以及在科罗拉多州某研究团队,采取了一些实验,在量子力学完备性的问题上作出贡献。

2015年,阿斯佩被选为英国皇家学会外籍会员,其成就介绍如下:

“(授予这个会员是因为)他在量子光学和原子物理学方面的基础实验。阿斯佩第一个在实验演示中排除测量站之间的超光速通信,让量子力学使可分离的隐变量理论失效,也第一个在实验上演示了单光子的波粒二象性。他与人共同发明了速度选择性相干群体捕获技术,是第一个在相同条件下比较费米子和玻色子的 Hanbury Brown-Twiss 相关性,并且首次证明了在超冷原子系统中的安德森定域化。他的实验阐明了单光子,光子对和原子的量子力学行为的基本方面。”(知识分子

另一位获奖者克劳瑟

1942年出生于加利福尼亚州帕萨迪纳市。1964年,他他获得了加州理工学院物理学学士学位,两年后获得物理学硕士学位,并最终在1969 年获得了哥伦比亚大学物理学博士学位。

在哥伦比亚大学研究生期间,克劳瑟读到了著名的EPR佯谬的论文以及博姆(Bohm)关于 “隐藏变量” 的论文。1967年,他进一步读到了贝尔的论文。他意识到,可以用实验来检验贝尔的定理。此后他和位于波士顿的 Abner Shimony 组合作,发展了一种新的贝尔定理的表达方式,更容易和实验数据进行直接的比较。

关于塞林格

塞林格1945年出生于奥地利,1971年在维也纳大学获得博士学位。他曾在维也纳技术大学和因斯布鲁克大学任教,1999年加入维也纳大学并担任物理系 “椅子” 教授。

建立量子信息理论的基础原理是量子叠加。量子叠加让一个量子比特不仅能够表现出0或1的传统比特状态,也能够呈现出其他任意中间状态。量子不可克隆定理表明,一个未知的量子态不能够被精确地复制。当一个量子系统由两个或多个量子比特组成时,量子叠加就成为了量子纠缠,这使得态空间呈指数增加。不确定原理和不可克隆原理是量子通信、量子计算和量子互联网的基石。

1997年,他和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证。量子隐形传态是从一个粒子向另一个粒子远距离传递未知量子态的方式,这一过程不需要传递粒子本身。潘建伟教授也是这一个实验的重要参与者之一。

量子隐形传态的奇妙之处在于,你并不测量要传输的初态,你仅仅只是利用了纠缠。借助量子纠缠,我们可以将未知的量子态传输到遥远的地点。塞林格之后组织过百余公里之间岛屿的量子隐形传态试验。目前,量子卫星“墨子号”的通信距离已然超过这个记录。

塞林格的贡献,开发了纠缠光子的源,观察高维量子态纠缠。据称,这些方法被应用于量子通信,例如超密集编码、基于纠缠的量子密码学、量子隐形传态和纠缠交换、纠缠态的隐形传态。

本文关于三位获奖者的工作和学习履历,工作内容对于学术界、业界的贡献的信息,摘自于“知识分子-公众号”。



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