获奖比例超过10%!诺贝尔物理学奖究竟颁给了哪些量子物理学家? | 十万个量子为什么(三)

教育   2024-09-24 10:30   上海  


小小量子,仅仅利用其自身特性与原理,就能够实现炫酷的量子通信、量子计算模拟和精密测量。因此,量子科学相关的前沿进展也格外受到国际关注。历史上,因量子方面的研究获得诺贝尔奖的物理学家竟有23位之多[1],超过了获得诺贝尔物理学奖科学家总人数(225人)的10%。

2022年,诺贝尔物理学奖由三位量子科学家平分。诺奖获得者都是因为哪些量子研究成果获奖?他们的成果对量子科学的发展又起到了怎样的推动性作用?


2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格,以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。他们的实验结果“为基于量子信息的新技术扫清了道路”,目前在量子计算、量子网络和量子保密通信方面已有大量相关研究。 


40年前被预言有望获得诺奖的阿兰·阿斯佩



 


阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)是巴黎著名的国家科学研究中心(CNRS)的研究主任。他曾获得2010年沃尔夫物理奖、2012年的爱因斯坦奖章等荣誉奖励。

博士期间,年仅27岁的阿斯佩对约翰·贝尔(John Bell)关于贝尔不等式的论文产生了兴趣,并仔细研究了EPR假想实验的每一步。他认为,如果能做成一个实验,设法阻止两个纠缠粒子之间信息的传递,但是这两个纠缠粒子仍然能同时变化状态,就能证明纠缠是实际存在的,即爱因斯坦的“局域性”不再成立。

为了实现这个梦想,他亲自跑到日内瓦探访约翰·贝尔。贝尔看着他,问:“你有终身教职吧?”当阿兰·阿斯佩回答说他只是个研究生时,贝尔惊奇地瞪着他。因为这个实验不仅难度极高,要求的灵敏度也极大,实验的设计思想更不能有任何瑕疵。他对阿斯佩说:“你准是个非常大胆的学生……”

阿斯佩设计的实验的确非常漂亮,然而实现起来难度极高,又独具风险。为了有足够长的实验通道,他和同伴选择在巴黎大学光学研究中心的地下室进行。从实验设计、清理实验场所到准备器材,所花的时间比预期要长得多。

他们使用激光器、计算机、偏振器和光信号灵敏开关搭建了实验装置并反复调试,直到1982年初才开始进行正式的实验,最后终于在1982年6月22日这一天获得了成功。

1983年,在阿斯佩的博士论文答辩会上,贝尔亲自到场,考察阿斯佩的实验,对他的这一成果赞叹不止,称之为“具备诺贝尔物理学奖水平的最优秀论文”。

阿斯佩研究组在八十年代所做的开创性的量子纠缠实验,毋庸置疑地证实了量子力学的“非局域性”,也使巴黎大学在以后十几年中始终成为量子力学实验领域的中心。

 

被费曼扔出实验室的约翰·克劳泽



 


约翰 · 克劳泽(John F. Clauser)是一名美国理论和实验物理学家。他的父亲曾任约翰霍普金斯大学航空系主任和加州大学圣克鲁斯分校的副校长,然后回到加州理工学院并担任工程系主任。当克劳泽还是个孩子的时候,就经常徜徉于父亲在约翰霍普金斯大学的实验室,眼看着奇特的实验装置,想着哪一天长大了也可以拥有这些“玩具”。

从克劳泽读高中的时候起,家里开始出现关于物理问题的讨论,量子力学的意义和奥秘是常见的话题,约翰身处其中,颇受浸染。他的父亲经常吿诫他不要轻易接受别人的观点,要用实验数据说话。这个原则成为克劳泽科学生涯的指南。

在哥伦比亚大学攻读实验物理学研究学位期间,克劳泽读到了著名的EPR佯谬的论文以及博姆(Bohm)关于 “隐藏变量” 的论文。几年后,他决定用实验测试贝尔不等式和 EPR 佯谬,还把这个想法告诉了过去的老师费曼。据他自己描述,“费曼把我从办公室扔了出去。”

1967年,他读到了约翰·贝尔的论文,并马上意识到:贝尔的论文可能会给量子论基本原理带来重大的启示。

1972 年,他与斯图尔特·弗里德曼(Stuart Freedman)合作,对贝尔不等式的预测进行了第一次实验测试。这是世界上第一次观察到量子纠缠,也是第一次对违反贝尔不等式的实验观察。50年后,克劳泽因其实验工作获得了诺贝尔物理学奖。

 

“墨子号”首席科学家潘建伟的导师:安东·蔡林格



 


安东·蔡林格(Anton Zeilinger)是奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家,前任奥地利科学院院长。他也是优秀的量子信息学家、“墨子号”、“九章号”、“祖冲之号”和“天元号”的发明者潘建伟的导师。

物理学家们对量子隐形传态的思考,是源于20世纪80年代由威廉•伍特斯 (William Wootters) 和朱瑞克 (W. Zurek) 论证的单个量子不能被克隆的问题。伍特斯和朱瑞克所提出的“不可克隆定理”认为,我们无法在保持一个粒子的状态不被改变的前提下,将该粒子的状态复制到另一个粒子上。因此,我们不可能发明一种量子态复制机,将一个粒子的所有信息都复制到另一个粒子上去,同时保持第一个粒子的状态不被改变。因此,若要将一个粒子的所有信息复制到另一个粒子上,物理学家们所能想到的唯一方法,就是让第一个粒子上所有被复制的信息消失。这个假想的物理过程日后被称作量子隐形传态[2]

1997年,蔡林格和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,研究成果发表在《自然》杂志1997年12月号上,成为量子信息实验领域的开山之作。潘建伟教授也是这一个实验的重要参与者之一。

这项实验在发表后立即引起了学术界和社会公众的广泛关注。潘建伟教授也对此有一个难忘的经历:他在阿尔卑斯山的一个峡谷散步时遇见一位坐在轮椅上的老太太,她说自己看过《实验量子隐形传态》那篇论文,虽然尽力了,却还是看不懂。后来,在1999年,这篇论文与建立相对论、发现DNA双螺旋结构等一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”[3]

正如英国的物理研究所首届艾萨克·牛顿奖章所述,蔡林格 “对量子物理学基础概念和实验方面做出了开创性的贡献,这些业已成为快速发展的量子信息领域的基石”。

 


[1] 数据来源:wikipedia
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%AF%BA%E8%B4%9D%E5%B0%94%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6%E5%A5%96%E5%BE%97%E4%B8%BB%E5%88%97%E8%A1%A8
[2] 阿米尔·艾克赛尔(Amir D. Aczel). 纠缠态:物理世界第一谜. 上海科学技术文献出版社
[3] 安东·蔡林格(Anton Zeilinger). 光子之舞. 中信出版集团

 





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