北京時間10月4日17:45，在瑞典首都斯德哥爾摩，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser） 和奧地利科學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學(xué)研究方面作出的貢獻(xiàn)。他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。

獲獎得主，阿斯佩，克勞澤、塞林格

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員、風(fēng)云學(xué)會會長、《量子信息簡話》作者袁嵐峰接受觀察者網(wǎng)專訪，就三人的研究成果，量子力學(xué)發(fā)展歷程，諾貝爾獎以及目前中國人獲獎數(shù)量較少現(xiàn)象分享了自己的看法。

以下為專訪實錄：

觀察者網(wǎng)：10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，三名物理學(xué)家因為在量子信息科學(xué)研究方面做出的貢獻(xiàn)，獲得2022年諾貝爾物理學(xué)獎。可否介紹一下他們所做出的研究以及其意義？

袁嵐峰：他們最基本的成就是，判定究竟量子力學(xué)還是經(jīng)典力學(xué)是對的：一個物理量在人們測量之前是不是必然有一個確定的狀態(tài)？

在經(jīng)典的世界觀下，無論你測或不測一個性質(zhì)，那個性質(zhì)已經(jīng)有個確定的狀態(tài)了。經(jīng)典的世界觀反映在一首詩里面：“你見，或者不見我，我就在那里，不悲不喜”；這首詩很多人以為是倉央嘉措寫的，其實是當(dāng)代女詩人談笑靖寫的。

但是量子力學(xué)非常明確地表示，并不是這樣，測量得到的結(jié)果可能是隨機(jī)的。我寫的《量子信息簡話》里面非常詳細(xì)的做了解釋。量子力學(xué)的測量首先是要指定一個基組，它包括至少兩個狀態(tài)。待測的狀態(tài)如果是基組當(dāng)中的一個狀態(tài)，你會得到一個確定值，即這個狀態(tài)不變。但是如果你待測的狀態(tài)不是這個基組中的一個狀態(tài)，而是這些狀態(tài)的一個線性疊加，那就會發(fā)生一個突然的變化，它會瞬間落到基組的某一個狀態(tài)上去。這就告訴我們，量子力學(xué)對于世界的預(yù)測本質(zhì)上就是概率性的，同一個原因可以得到不同的結(jié)果。

我們平常會覺得，同樣的原因會引來同樣的結(jié)果。乍一看隨機(jī)的事情，比方說擲硬幣，仔細(xì)想一想就會發(fā)現(xiàn)結(jié)果其實是完全確定的，只不過因為擲硬幣出手力度控制的不夠好，所以才覺得是隨機(jī)的；如果你控制的完全精確的話，那結(jié)果就是確定的。所以經(jīng)典力學(xué)里的隨機(jī)，都是偽隨機(jī)。

但量子力學(xué)認(rèn)為，世界上存在真正的隨機(jī)。這就是兩種截然不同的世界觀。而最明顯反映這種世界觀的區(qū)別就在于量子糾纏現(xiàn)象。

量子糾纏是 1934 年愛因斯坦和他的兩個助手波多爾斯基和羅森在標(biāo)題為“量子力學(xué)對世界的描述可以被認(rèn)為是完備的嗎？”的論文中提出來的，現(xiàn)在大家經(jīng)常把他們的姓氏縮寫為EPR。他們認(rèn)為，量子力學(xué)是不完備的。他們經(jīng)常問人一個問題，沒有人看月亮的時候月亮是否就不存在了？他們在這篇論文中提出量子糾纏這個現(xiàn)象，希望以此駁倒量子力學(xué)。但是后來的實驗發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)是正確的，量子糾纏現(xiàn)象客觀存在。

有很多所謂科普會將這個現(xiàn)象比作兩只手套，一只左手、一只右手，將它們分別寄給兩個離得很遠(yuǎn)的人。一人打開盒子，發(fā)現(xiàn)收到一只左手手套，立刻就知道另外一個人收到右手手套。這樣的比喻是能夠說明一些問題，但會讓人誤以為量子世界跟經(jīng)典世界一樣，“手套”在寄發(fā)前就有確定的左右之分。這就沒什么奇怪的，就像開盲盒一樣。

然而量子糾纏的關(guān)鍵在于，結(jié)果在測量之前是不確定的。

觀察者網(wǎng)：按您的比喻，量子糾纏類似于有一箱子的手套，你隨機(jī)抽兩個，發(fā)給兩個人，一人看到左手套，另外必然就是右手套。

袁嵐峰：對，是有點像。但是，一箱子的說法還是有可能造成一個誤會，就是讓人以為是在描述一個統(tǒng)一現(xiàn)象。我們需要強(qiáng)調(diào)，量子力學(xué)并不是一個只能描述大量粒子統(tǒng)計性的理論，它對于單個粒子同樣適用。假設(shè)只發(fā)一雙手套，你可以認(rèn)為手套不停的在左右狀態(tài)之間來回?fù)u擺，沒有一個確定值，直到打開的一瞬間。

在諾貝爾獎主頁上，對于這次的成果，他們給出了一系列漫畫式的解讀，其中有一個用黑白球比喻。假如你手里拿一個黑球，你就知道對方必然是個白球。實際上，你應(yīng)該想象那個球本來是灰球，并不確定是黑還是白，直到觀測的那一瞬間，球才取得了黑或白當(dāng)中的一個狀態(tài)。

諾貝爾委員會介紹中使用的“黑球白球”例子

量子糾纏實際的效果是，對于單個粒子的測量結(jié)果是不確定的，但是這兩個隨機(jī)數(shù)之間存在一個確定的關(guān)聯(lián)。單粒子測量結(jié)果是不確定的，關(guān)聯(lián)是確定的。至于這個關(guān)聯(lián)是什么，很多例子說的是相反，也有很多例子說的是相同。這些關(guān)聯(lián)其實都是可行的，取決于兩粒子體系的初始狀態(tài)，這個初始狀態(tài)是實驗制備出來的。你只要給定了一個量子體系的初始狀態(tài)，人們在實驗上就有辦法把它制備出來。

觀察者網(wǎng)：這次三個諾貝物理學(xué)獎獲得者對于證明量子糾纏現(xiàn)象做出的具體貢獻(xiàn)是什么？

袁嵐峰：剛才講的這些好像只是一個世界觀的分析，并沒有任何可觀測的效應(yīng)。你怎么知道盒子在打開之前，里面的狀態(tài)到底是確定的還是不確定的呢？乍看起來，這個現(xiàn)象好像沒法判斷。當(dāng)年愛因斯坦跟玻爾為此爭了很久，而其他大部分科學(xué)家覺得這只是一個哲學(xué)之辯，不值得認(rèn)真看待。科學(xué)家大部分相信量子力學(xué)，因為它在實用層面是非常成功的。我在《量子信息簡話》里就講了，一些最基本的問題，比如說原子的穩(wěn)定性、物質(zhì)的硬度、導(dǎo)電性，都是用量子力學(xué)解釋的。許多科學(xué)家認(rèn)為愛因斯坦那些“老古董”只是自己想不開，大部分人不再關(guān)心量子糾纏問題了。

在1964年，北愛爾蘭的物理學(xué)家約翰·貝爾（John Bell）提出：經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)其實是可以分辨的。他指出，你可以測量不同的結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)，每個關(guān)聯(lián)是一個測得某種聯(lián)合結(jié)果的概率，然后幾個概率加起來減去一個概率，這個數(shù)值應(yīng)該小于等于某個上限。這里面唯一的前提條件，就是所有的量在測量之前都存在確定值，即經(jīng)典世界觀。

然而，在量子力學(xué)下，會存在突破這個上限的狀態(tài)。貝爾認(rèn)為，只要把這樣測量關(guān)聯(lián)的實驗做很多次，就會發(fā)現(xiàn)這些概率的組合到底小于還是大于這個上限。假如大于這個上限，就明確的告訴大家經(jīng)典世界觀是錯的。

約翰·貝爾1964年提出分辨經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)的方式（圖源：歐洲核子研究中心）

第一次來做這個實驗的人就是這次諾貝爾物理學(xué)獎一號得主，克勞澤。他還有個合作者，叫斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）。克勞澤當(dāng)時是個博士后，費(fèi)里德曼是一個博士生，1972年他們第一次做成貝爾定理實驗。這個弗里德曼為什么沒有諾貝爾獎呢？因為他離世太早了，在2012年就突然就去世了。

他們的實驗違反了貝爾不等式，證明了量子力學(xué)的正確性。但是較真的人可以說，這個實驗還有種種漏洞。比如說兩個探測器之間離得很近，大概只有6米，假如探測器之間以某種方式傳遞信號，那么就可能協(xié)同起來，故意給你一個虛假的結(jié)果。

為了避免這一問題，可以把兩個探測器離得盡量的遠(yuǎn)，使得其即使以光速傳遞信號，也來不及作弊。這樣的漏洞，第二個諾貝爾物理學(xué)獎得主阿斯佩在1982年填補(bǔ)了，改進(jìn)了1972年的實驗，所以在公眾心中阿斯佩等人變得更加出名。

后來越來越多的人繼續(xù)努力改進(jìn)這個實驗，堵上各種各樣你能想到和想不到的稀奇古怪的漏洞。第三個諾貝爾物理學(xué)獎得主塞林格也做了這個實驗，堵上了更多的漏洞，同時做出了一個非常有趣的應(yīng)用。如果只是不停的驗證貝爾不等式的違反，很多人會覺得這跟日常生活也沒什么關(guān)系，這純粹就是一個物理學(xué)理論的基礎(chǔ)問題。

然而塞林格做了量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation），相當(dāng)于科幻電影中的傳送術(shù)，即把一個粒子的狀態(tài)傳到遠(yuǎn)處另外一個粒子上。這個就要用到量子糾纏。量子隱形傳態(tài)的理論是六個理論家于1993年共同提出，塞林格的研究組在1997年第一次實驗實現(xiàn)的。潘建偉當(dāng)時是塞林格的博士生，他就是這篇論文的第二作者；在諾貝爾獎塞林格相關(guān)成果里面，幾乎每一篇都有潘建偉，不是第一作者，就是第二作者。

假如我們有兩個糾纏的粒子，將一號粒子放在愛麗絲手里邊，二號粒子放在鮑勃手里，兩人離得很遠(yuǎn)。然后愛麗絲手里還有第三個粒子，不知道其狀態(tài)，要將這第三個粒子的狀態(tài)傳給鮑勃。我們是對這個三粒子體系的整體做某些操作，結(jié)果是三號粒子的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到了鮑勃手上的二號粒子身上，成功傳送了這個未知的狀態(tài)，而原來的三號粒子狀態(tài)也變了。

這就好比一邊有輛汽車，另一邊有堆汽車零件，你的實驗結(jié)果是把汽車的狀態(tài)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(tài)的傳送而不是復(fù)制，你永遠(yuǎn)都不會得到兩輛相同的汽車。任何人都會感到這是一個石破天驚的成果。我在《量子信息簡話》就說了，所有的量子信息技術(shù)里邊最富有科幻色彩的可能就是量子隱形傳態(tài)。所以這次諾貝爾獎發(fā)給塞林格的原因是，將檢驗量子力學(xué)基本原理以及量子隱形傳態(tài)這兩方面的成果都包括了進(jìn)去。

觀察者網(wǎng)：1972年的那次試驗，為什么沒有想到相隔6米可能會出現(xiàn)的潛在漏洞？

袁嵐峰：萬事開頭難，克勞澤之前根本沒有人想到要去做這個實驗，或者覺得這實驗就沒必要做，因為大家默認(rèn)量子力學(xué)肯定是對的。還有，就是這個實驗真的非常難做，在他之前根本就沒有人想要做這樣的實驗，因為也沒有這樣的實驗裝置。實際上貝爾本人提出不等式的目標(biāo)是為了證明愛因斯坦是對的——貝爾也反對量子力學(xué)——只不過實驗的結(jié)果說明量子力學(xué)還是對的，表明科學(xué)并不依賴于先行者本人的想法。

克勞澤和費(fèi)里德曼能做出這個實驗，就已經(jīng)非常不容易了。他們發(fā)表之后大家才開始討論，假如大自然鐵了心要跟你作弊，那么可能有什么樣作弊的方法，所以才認(rèn)為有個漏洞。假如我們相信狹義相對論，相信信號傳輸不能超光速，那就提出改進(jìn)辦法，把兩個探測器離得盡量遠(yuǎn)，即使以光速作弊也不可能。隨著條件的改進(jìn)，大家一步步把條件限制的越來越嚴(yán)格。到后來各種能想到想不到的所謂漏洞，科學(xué)家都在拼命去堵，跟大自然斗智斗勇。

觀察者網(wǎng)：為什么貝爾本人沒有獲得過諾貝爾獎？

袁嵐峰：這是個好問題。他們因為檢驗貝爾不等式的違反得獎，那最應(yīng)該得獎的不應(yīng)是貝爾嗎？這是因為貝爾在1990年就去世了，享年只有62歲。如果他活的長一點，那當(dāng)然最應(yīng)該得獎。歷史上有很多類似的事情，一個思想最初的提出者沒有來得及得獎，后來實現(xiàn)這個思想的人獲獎。

觀察者網(wǎng)：為什么諾貝爾獎不能授予已故的人？

袁嵐峰：這是他們一開始立好的規(guī)矩，否則要發(fā)的就實在太多了。貝爾的貢獻(xiàn)絕對是諾貝爾獎級的，而且應(yīng)該會超過很多諾貝爾獎獲得者。

觀察者網(wǎng)：幾十年前，一人獨(dú)攬諾貝爾物理學(xué)獎還是常態(tài)，但是這個情況已經(jīng)30年沒有出現(xiàn)了。這是否意味著，科研已經(jīng)由一個可以一人獨(dú)立完成，轉(zhuǎn)變?yōu)樾瓒嗳藚f(xié)同完成的事業(yè)？為什么？

袁嵐峰：對于物理學(xué)家來說，確實是這樣，已經(jīng)好久沒有單獨(dú)發(fā)給個人，但是今年剛好有一個獎是發(fā)給個人，就是生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎，發(fā)給了斯萬特·帕博 (Svante P??bo)，獎勵他對于古人類DNA檢測的貢獻(xiàn)。我看到這個消息也很驚訝，確實好久沒有看到有人單獨(dú)獲獎，可能因為他在那個領(lǐng)域是一個單獨(dú)的奠基人。

但是在物理學(xué)，貢獻(xiàn)的人真的很多。如果貝爾和弗里德曼活著，他們都應(yīng)該得獎，這樣一來就有五個人，而諾貝爾獎一次最多只能發(fā)三個人，那把哪兩人砍掉？歷史上出現(xiàn)過該得的人太多、反而誰都發(fā)不了的情況，只有耐心的等待一些人去世，給剩下的人發(fā)，或者干脆誰都不發(fā)。

這表現(xiàn)出科學(xué)的進(jìn)步，越來越依賴于多人的合作。以前經(jīng)常發(fā)給一個人，是因為那時還處于領(lǐng)域剛開創(chuàng)的時代，一個人就能提出一個石破天驚的觀點，開創(chuàng)一個領(lǐng)域；現(xiàn)在變得越來越困難，需要很多人合作，才能把這個領(lǐng)域向前推進(jìn)。

觀察者網(wǎng)：可能未來會發(fā)生越來越多類似于貝爾的經(jīng)歷，提出了一個事后被證明石破天驚的理論，但是需要幾十年的時間驗證和推進(jìn)，那時候提出者已經(jīng)去世去了。諾貝爾等獎項是否要考慮這個情況做一些改變？

袁嵐峰：諾貝爾獎定了這個規(guī)矩，就按照這個規(guī)定執(zhí)行。但這也告訴我們，一個人沒得諾貝爾獎，并不意味著他的成就不夠高。比如說，霍金雖然沒得諾貝爾獎，但是貢獻(xiàn)跟大多數(shù)諾貝爾獎得主不相上下。霍金最重要的成就，就是霍金輻射，他提出黑洞會輻射能量，所以黑洞的質(zhì)量是會減小的，黑洞并不是只進(jìn)不出的。但是這個效應(yīng)對大型黑洞非常非常的微弱，越大的黑洞輻射得越慢，微小的黑洞會迅速蒸發(fā)掉，大型的黑洞蒸發(fā)的時間卻比宇宙的年齡都長得多。我們現(xiàn)在觀察到的大型黑洞的霍金輻射都非常小，沒法得到可觀測的證據(jù)。

所以霍金雖然在世的時候非常出名，霍金輻射也是非常了不起的一個成果，但是得不到諾貝爾獎，因為實驗上沒法證明。如果哪一天“一不小心”，居然有一個實驗證據(jù)證明霍金輻射，那人們肯定會把霍金翻出來再紀(jì)念一番，但是他還是沒法得到諾貝爾獎。所以這告訴我們，獎項只是對于一個人的事后追認(rèn)，我們不能把它看得太重要。

觀察者網(wǎng)：考慮到近年我國在量子力學(xué)領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)，我國的科學(xué)家是否也具有了獲得諾貝爾物理學(xué)獎的實力？

袁嵐峰：諾貝爾獎的頒獎是有先后順序的，要先發(fā)給這前面奠定基礎(chǔ)的人，后面才能發(fā)給做了后來的實驗，把成果推向新的高度的人。

在這次諾貝爾獎的成果介紹里邊提到了中國科學(xué)家的貢獻(xiàn)，比如介紹我國的墨子號實現(xiàn)了衛(wèi)星和地面之間的量子保密通信，也實現(xiàn)了地面上相距1200公里的量子隱形傳態(tài)。后者是今年的成果，墨子號向兩個相距1200公里的地面站（青海德令哈站和云南麗江站）發(fā)射一對對糾纏的光子，它們以此實現(xiàn)了隱形傳態(tài)。

可想而知，隨著將來我們類似的成果越做越多，比如說鋪設(shè)了一個全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)，就有可能得獎了。但是，作為一個歷史的追認(rèn)，諾貝爾獎委員會肯定要先發(fā)給前面最初開創(chuàng)領(lǐng)域的人。所以我們繼續(xù)做下去，將來得獎也是完全有可能的。

觀察者網(wǎng)：自新中國成立以來，只有屈指可數(shù)的幾名中國籍科學(xué)家獲得過諾貝爾獎。中國科學(xué)家還需要等待多久，才能在這個世界頂尖的平臺上獲得更廣泛的認(rèn)可？

袁嵐峰：很多人對諾貝爾獎的態(tài)度是兩個極端。一些認(rèn)為中國人老是得不到諾爾獎，中國人太“渣渣”了。另一些認(rèn)為諾貝爾獎完全是“政治操作”的，只發(fā)給西方人。

我認(rèn)為人們應(yīng)該耐心一點。首先，認(rèn)為諾貝爾文學(xué)獎、和平獎這些東西的政治因素太重，我們“當(dāng)個笑話”來看，是完全沒問題的。但是諾貝爾自然科學(xué)獎含金量還是非常高的。我們不能說沒得諾貝爾獎的水平就一定不高，或者說得到諾貝爾獎的就一定很高，因為歷史上也有發(fā)錯的時候，但是至少絕大部分得到諾貝爾獎自然科學(xué)獎的水平確實非常高，確實對人類做出很大貢獻(xiàn)。

所以我認(rèn)為，不要吃不到葡萄，就說葡萄酸，說不屑于跟他們玩了。大家的心態(tài)應(yīng)該是，這個葡萄是甜的，而且我們肯定是能吃到的，要有耐心。美國、英國、德國、日本等得那么多諾貝爾獎的科技大國，最主要的原因就是他們科研投入多；想想我們幾十年前在干啥？諾貝爾獎一般頒的都是幾十年前那種得到廣泛驗證的成果。這次獲獎的幾個人實際上都早已退休了，塞林格自己說他在這個領(lǐng)域最重要的實驗其實是在 20 多年前做的，比如1997年的隱形傳態(tài)。先要做出這樣量級的成果，然后耐心地等待，鍛煉好身體，等他們頒獎，這個是正道。

而我們國家真正投入巨大資金去做基礎(chǔ)研究的時間其實沒多久。2015年屠呦呦得獎是在非常特殊的條件下。當(dāng)時打越南戰(zhàn)爭的時候，美國老是遇到瘧疾，就投入巨資來研究對抗瘧疾；而中國也是，因為中國要幫助越南，中國也有很多人前往越南，也有很多人得瘧疾。屠呦呦在這里邊發(fā)現(xiàn)青蒿素可以治療瘧疾，而且是個特效藥。但是這屬于“碰上”的，并不是一個常規(guī)的研究；而我們現(xiàn)在常規(guī)的研究，都還處在一個剛剛開始有巨大的投入，干了沒多久的狀態(tài)。

現(xiàn)在有很多領(lǐng)域，每當(dāng)有人得諾貝爾獎，這個領(lǐng)域都會有人出來說，中國其實相當(dāng)先進(jìn)。例如對去年和今年的化學(xué)獎，都有中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的專家說中國在不對稱催化和點擊化學(xué)方面相當(dāng)先進(jìn)，有很多領(lǐng)先的成果。現(xiàn)在的普遍現(xiàn)象就是，中國還比較缺乏完全原創(chuàng)的概念，但是一旦別人提出一個領(lǐng)域，中國科學(xué)家就沖過去，做出很多成果。

中國原創(chuàng)的概念也在逐漸多起來，如在化學(xué)領(lǐng)域我就介紹過唐本忠院士的“聚集誘導(dǎo)發(fā)光”和包信和院士的“納米限域催化”。

這一方面說明我們的科研實力是相當(dāng)雄厚的，資金、投入確實有很多；在研發(fā)投入上，我們僅次于美國。另一方面，我們還需要時間沉淀，才能產(chǎn)生更多的從零到一的完全原創(chuàng)成果。需要有耐心，幾十年之后，我相信肯定會出現(xiàn)一個中國科學(xué)家獲得諾貝爾獎的高峰。

編輯：黃飛