诺奖解读为什么证明贝尔不等式不成立，对于量子科学很重要

　　北京时间10月4日，2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser）和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。他们通过光子纠缠实验，确定贝尔不等式在量子世界中不成立，并开创了量子信息这一学科。
　　澎湃科技连线多位量子信息领域科学家，解读三位诺奖获得者的学术突破性贡献、研究意义及该领域的目前发展。
　　2022年诺贝尔物理学奖获得者：法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger） 图片来源：诺贝尔奖委员会官网
　　澎湃科技：你在之前准确预测了2022诺贝尔物理学奖三位获奖人，当时为什么有这样的预测？
　　薛鹏（北京计算科学研究中心教授）：这三位科学家在2010年就因为对量子物理学的基础概念和实验贡献获得沃尔夫奖，像Inside Science于2019年，2020年，2021年连续三年都预测他们有可能获得诺贝尔物理学奖。我也是认为他们实至名归，应该获得这个奖项。
　　澎湃科技：对于今年诺贝尔物理学奖花落量子信息，物理学界是什么样的反应，这在预期之中吗？
　　金贤敏（上海交通大学物理与天文学院教授）：最近的国际性的科学大事件确实比较集中在量子信息领域，比如：今年上半年举办的第28届索尔维物理学大会的主题就是量子信息（The physics of quantum information）；上个月科学突破奖（Breakthrough Prize）的基础物理学突破奖颁发给了量子信息领域的Charles Bennett、Gills Brassard、David Deutsch、Peter Shor，表彰他们在量子信息领域的奠基性工作。今年的诺贝尔物理学奖花落量子信息，并不感到意外。
　　武愕（华东师范大学-阿尔伯塔大学先进科学与技术联合研究院执行院长）：这是在很多人的预期之中的。最近这些年量子信息技术得到了迅速发展，量子信息技术逐步走向实用化，走向对人类社会有所贡献，也就是诺贝尔奖设立的初衷，因此大家都预期近几年量子信息会在诺贝尔物理学奖有所斩获。
　　澎湃科技：你怎么评价这三位科学家的突破性贡献？
　　薛鹏：总的来说，这三位科学家在实验上验证了贝尔不等式的违背，从而证明了量子力学的完备性。
　　当初爱因斯坦和哥本哈根学派有一个争议——量子力学是不是完备的，没有人认为量子力学是错误的，但对于其是不是完备，曾经有过很长时间的争论。爱因斯坦这一方，希望把量子力学中的一些现象跟宏观世界中的一些现象对比，比如贝尔不等式就涉及到局域的实在性。宏观世界当中有局域的实在性，比如说宏观世界中所有的相互作用都跟距离有关系，距离越远相互作用越弱。而量子力学中没有局域性，比如量子纠缠就属于量子非局域。所以，在大家对局域性和非局域性没有认识很清楚的时候，就会认为量子力学是不完备的，就会有很多争议。
　　后来戴维·波姆在1952年通过引入＂隐变量＂理论做了一个非常好的解释，在局域实在论的基础上形成了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。他认为是一种隐变量在操控整个量子世界中那些看起来不可思议的事情，但是具体是什么样的变量他也不知道。而贝尔定理的实验验证是一个物理实验，旨在测试量子力学理论与局域隐变量理论哪个正确。1964年，John Bell定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2。而用量子力学理论，可以得出大于2的测量值。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。
　　在宏观的世界中去验证贝尔不等式，你就永远会得到贝尔不等式成立。那么，这就意味着量子力学是不完备的。后来，这三位科学家就相继在实验上验证了贝尔不等式在量子力学的框架下会被违背，量子力学是完备的。
　　武愕：三位科学家在验证贝尔不等式方面的突破贡献为量子信息技术大厦的奠定了基石。
　　阿兰·阿斯佩在实验中以新的方式激发原子，能以更高的速率发射出纠缠的电子，同时，他可以切换实验参数，这样实验系统中就不会有预先信息影响实验结果。
　　尹璋琦（北京理工大学物理学院量子技术研究中心教授）：John Clauser、Alan Aspect、Anton Zeilinger三人的研究直击量子力学最核心的基础问题，从实验上验证贝尔不等式。
　　贝尔不等式的根源来自于1935年爱因斯坦、波多斯基和罗森三人提出的一个佯谬，也就是EPR（Einstein-Podolsky-Rosen）佯谬：要么量子理论是不完备的，要么量子力学会导致超光速的作用，与局域性相违背。EPR佯谬并没有质疑量子力学的正确性，而是质疑量子力学的不完备性。
　　1964年，英国物理学家约翰·贝尔定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的测量值都不大于2，而用量子理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验测量的结果大于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。此前贝尔一直站在爱因斯坦一方，贝尔研究隐变量理论的初衷是要证明量子理论非局域性有误，可后来所有实验都表明局域隐变量理论预言有误，而量子理论的预言与实验一致。贝尔不等式的诞生宣告量子理论的局域性争议从带哲学色彩纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。
　　约翰·克劳泽证明贝尔不等式不成立的实验：用特殊的光激发钙原子，发射出两个纠缠的光子，然后在两端用滤光片测量其偏振情况。
　　John Clauser发展了贝尔的想法。1972年，John Clauser等人完成第一次贝尔定理实验，因存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之间距离太小，不足以说明纠缠的非局域性，结果不具有说服力。
　　1982年，Alan Aspect等人改进了Clauser的贝尔定理实验，实验结果违反贝尔定理。
　　1998年，Anton Zeilinger等人在奥地利因斯布鲁克大学完成贝尔定理实验，彻底排除定域性漏洞，实验结果具有决定性。
　　2015年，Anton Zeilinger完成了无漏洞的贝尔不等式实验验证，同时排出定域性漏洞和测量漏洞。
　　澎湃科技：诺贝尔物理学委员会主席Anders Irbäck说＂获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本问题＂。如何理解这句话？
　　金贤敏：量子纠缠是一个很神奇的现象，纠缠对中的一个粒子发生的情况决定了另一个粒子会发生什么，即使它们相距很远。很长一段时间以来，学界的争论在于相关性是否是因为纠缠对中的粒子包含隐藏的变量，这些指令告诉它们在实验中应该给出哪个结果。在20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔发展了以他的名字命名的数学不等式。这说明，如果存在隐藏变量，则大量测量结果之间的相关性永远不会超过某个值。然而，量子力学预测，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比本来可能更强的相关性。
　　在纠缠量子态中，即使两个粒子分离，它们也表现得像一个单独的单元。2022年物理诺贝尔奖得主们的研究结果为基于量子信息的新技术扫清了道路。
　　薛鹏：纠缠是量子信息里最重要也最基础的一个单元，像现在我们所涉及到的量子保密通信，量子通信、量子计算等等，它们的基础都建在量子纠缠之上。正是因为量子纠缠的独特的性质——量子的非局域性，它才能有完全超越经典物理的一些功能。其次，它还提供了量子纠缠光源大规模制备及高亮度量子纠缠光源制备的方式，而且可以证实量子纠缠光源的有效性。
　　武愕：以纠缠光子验证贝尔不等式不成立不仅是对量子力学基本问题的解答，更重要的是开启了纠缠态在量子通信、量子精密测量中的应用。
　　尹璋琦：量子信息技术的理论基础几乎都基于量子非局域性或量子纠缠，全量子网络和量子计算机跟量子纠缠有深刻的联系。这也意味着，他们的工作为基于量子信息的新技术扫清了障碍，有利于未来全量子网络和量子计算机的发展。
　　澎湃科技：在光子纠缠实验研究方面，他们克服了怎样的难点？
　　金贤敏：三位科学家早在2010年＂因其在量子物理学基础上的基本概念和实验贡献，特别是一系列日益复杂的贝尔不等式测试，而获得沃尔夫奖（Wolf Prize）＂。今年的诺奖＂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＂。具体而言：
　　Alain Aspect：做博士论文的课题时，他带领团队进行的实验证实了贝尔定理的正确性，表明爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的论文的 ＂荒谬＂，也就是当两个粒子分开任意大的距离时，＂远距离的幽灵作用＂，在现实中似乎已经实现了：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。
　　John Clauser：他读到了著名的EPR佯谬的论文以及玻姆（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。中间遇到很多困难，但一直在坚持这个方向的研究，最终与在伯克利的Charlie Townes合作进行试验，这个实验实现了令爱因斯坦当初感到烦恼的鬼魅般的远距离作用。
　　安东·塞林格开展了更多证明贝尔不等式不成立的实验。他把激光打在特定的晶体上来产生纠缠的光子对，在测量中使用随机参数。他的研究小组证明了量子隐形传态现象，量子态可以从一个粒子转移到远处的另一个粒子上。
　　Anton Zeilinger：他以纠缠方面的实验和理论工作而闻名，最著名的是多粒子纠缠态的实现、量子隐形传态、量子通信和密码学、光子量子计算等。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，成为量子信息实验领域的开山之作。
　　武愕：光子纠缠的实验发展受限于很多实验技术与实验仪器，在早期的实验中，由于纠缠光子对产生效率低，光子探测效率低，光子探测噪声大，很难将有效的光子信息读取出来，因此光子的量子特性很难呈现在大家面前。这三位科学家经过巧妙的设计实验，发展了不同的纠缠光子对产生方法，克服种种不利条件，尽可能不断贴近理论设想，在实验上验证了贝尔不等式的不成立。
　　薛鹏：第一是光源上的难点。因为纠缠光子对或纠缠离子对一定会违背不等式，如何找到和制备出这样的粒子，这是有难度的。制备出来以后，如何去堵上实验漏洞，比如关联的局域性的漏洞，能不能让它们相隔很远，这也是实验的难点。同时，他们的实验验证本身就是具有开创性的。
　　澎湃科技：具体来说，这三位科学家有哪些标志性的工作成果？
　　薛鹏：安东·塞林格（Anton Zeilinger）在1997年完成了量子隐形传态的原理性实验验证工作，首次用实验实现了量子隐形传态。这篇论文发表于《自然》，入选了历史上100篇最有影响力的文章。
　　约翰·克劳泽（John Clauser）在还是哥伦比亚大学研究生时，和Michael Horne、Abner Shimony及Richard Holt一起，通过现在被称为Clauser - horn - Shimony - Holt (CHSH)不等式，将贝尔1964年的数学定理转化为一个非常具体的实验预测。
　　此后约翰·克劳泽和研究生Stuart Freedman一起，第一次用实验证明了两个相距很远的粒子可以纠缠在一起。John Clauser继续进行了另外三个实验，以测试量子力学和纠缠的基础，每个新的实验都证实和扩展了他的结果。Freedman–Clauser实验是对CHSH不等式的第一个检验，它已经在世界各地的实验室进行了数百次的实验测试，以证实量子纠缠的真实性。
　　武愕：第一，阿兰·阿斯佩第一次在精确的意义上实验上验证了贝尔不等式不成立，证明了量子理论的正确性。第二，阿兰·阿斯佩第一次在实验上实现了单光子的干涉实验，验证单光子的波粒二象性。第三，阿兰·阿斯佩第一次在实验上比较了费米子和玻色子的二阶关联。
　　纠缠粒子对中的一个粒子的状态，决定了另一个粒子的状态，即使这两个粒子相距很远。
　　澎湃科技：在量子信息领域，目前最关注的核心问题是什么？
　　金贤敏：量子信息主要包含量子计算、量子通信和量子精密测量三个方向。由量子力学研究和刻画微观粒子的结构、性质及其相互作用，与信息论共同奠定了信息获取、处理和传输技术发展和应用的基础，成为连接物质、能量和信息等基本要素的桥梁与纽带。
　　这三个方向中量子计算最有潜力，正在成为新一轮技术革命的核心科技力量。量子计算以量子比特为基本单元，利用量子叠加和干涉等原理实现并行计算，可提供指数级加速，实现突破经典计算极限的算力飞跃。与传统计算机相比，量子计算具有超高算力、并行计算、可逆计算等特点。可应用在人工智能、电信网络、航空航天、金融科技等领域。量子计算算法和应用不断拓展，有可能率先在量子化学、组合优化、复杂网络排序等方面获得突破。
　　薛鹏：肯定是量子计算，量子计算是一个相对来说比较遥远的方向，最难也最有意义。除此之外，像量子保密通信及量子精密测量等都应用到了量子纠缠的特性，量子纠缠也是我们比较关心的问题，有可能产生一些改变人类生产生活方式的应用。
　　武愕：目前量子信息领域中的核心问题有几个方面：量子通信，量子模拟，量子传感，量子计算。
　　澎湃科技：您觉得距离实现真正的量子计算机，还有哪些核心科学问题需要解决？
　　金贤敏：近年来，量子计算硬件物理平台各类技术路线的比特数及量子体积等指标频创新高，但仍处在并行发展阶段，并未出现技术路线收敛的趋势。目前国际公认的三大主流方向：超导、离子阱、光量子。其中超导量子计算机的运行环境需要近乎绝对零度，对温度有很高的要求，离子阱量子计算需要超高真空和一定的低温环境。实现通用量子计算机有三个前提——百万量子比特的操纵能力、低环境要求、高集成度。而光量子路径是唯一能够满足这些条件的技术体系，是通向大规模通用量子计算的最可行路径。
　　薛鹏：首先是大规模量子纠缠制备。除此之外，要真正做量子计算可能需要让多个粒子都处在一个纠缠态上，即如何制备多粒子纠缠。此外，还要保持它的相干特性，让它的寿命变得很长。因为量子的所有特性都基于它的叠加特性，如果有一个外界的干扰，或者说噪声，把它的相干性消除了，那么它就会失去量子纠缠的特性不能够应用到量子计算。所以说它非常难得，又非常容易被破坏。
　　武愕：距离实现通用的量子计算机，目前需要解决的核心的科学问题还是要实现量子比特的大规模化制备与操控。