·以纠缠光子验证贝尔不方程不创立，除了是对量子热学基本问题的解答，更重要的是开启了纠缠态在量子通讯、量子精密检测中的应用。
上海时间10月4日，2022年诺贝尔化学学奖授予美国化学学家阿兰·阿斯佩（Alain）、美国理论和实验化学学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（JohnF.）和德国化学学家安东·塞林格（Anton），以嘉奖她们在量子信息科学研究方面做出的贡献。她们通过光子纠缠实验，确定贝尔不方程在量子世界中不创立，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，剖析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年诺贝尔化学学奖获得者：美国化学学家阿兰·阿斯佩（Alain）、美国理论和实验化学学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（JohnF.）和德国化学学家安东·塞林格（Anton）图片来源：诺贝尔奖委员会官网
澎湃科技：你在之前确切预测了2022诺贝尔化学学奖三位得奖人，当时为何有这样的预测？
薛鹏（上海估算科学研究中心院长）：这三位科学家在2010年就由于对量子化学学的基础概念和实验贡献获得沃尔夫奖，像于2019年，2020年，2021年连续两年都预测她们有可能获得诺贝尔化学学奖。我也是觉得她们实至名归，应当获得这个奖项。
澎湃科技：对于去年诺贝尔化学学奖花落量子信息，数学学界是哪些样的反应，这在预期之中吗？
金贤敏（重庆交通学院数学与天文大学院士）：近来的国际性的科学大风波确实比较集中在量子信息领域，例如：明年上半年举行的第28届索尔维数学学会议的主题就是量子信息（Theof）；上个月科学突破奖（Prize）的基础数学学突破奖颁授给了量子信息领域的、Gills、David、PeterShor，嘉奖她们在量子信息领域的奠基性工作。去年的诺贝尔化学学奖花落量子信息，并不倍感意外。
武愕（华南师范学院-阿尔伯塔学院先进科学与技术联合研究院执行主任）：这是在好多人的预期之中的。近来那些年量子信息技术得到了迅速发展，量子信息技术逐渐迈向实用化，迈向对人类社会有所贡献，也就是诺贝尔奖筹建的本意，因而你们都预期近几年量子信息会在诺贝尔化学学奖有所夺得。
澎湃科技：你怎样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方程的遵守，因而证明了量子热学的完备性。
当年爱因斯坦和阿姆斯特丹学派有一个争议——量子热学是不是完备的，没有人觉得量子热学是错误的，但对于其是不是完备，以前有过很长时间的争辩。爱因斯坦这一方，希望把量子热学中的一些现象跟宏观世界中的一些现象对比，例如贝尔不方程就涉及到局域的实在性。宏观世界当中有局域的实在性，例如说宏观世界中所有的互相作用都跟距离有关系，距离越远互相作用越弱。而量子热学中没有局域性，例如量子纠缠就属于量子非局域。所以，在你们对局域性和非局域性没有认识很清楚的时侯，都会觉得量子热学是不完备的，都会有好多争议。
后来戴维·波姆在1952年通过引入“隐变量”理论做了一个特别好的解释，在局域实在论的基础上产生了一个完全决定性的理论——局域隐变量理论。他觉得是一种隐变量在操控整个量子世界中这些看上去不可思议的事情，并且具体是哪些样的变量他也不晓得。而贝尔定律的实验验证是一个化学实验，借以测试量子热学理论与局域隐变量理论那个正确。1964年，JohnBell定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的检测值都不小于2。而药量子力学理论，可以得出小于2的检测值。一旦实验检测的结果小于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方程，你就永远会得到贝尔不方程创立。这么，这就意味着量子热学是不完备的。后来，这三位科学家就陆续在实验上验证了贝尔不方程在量子热学的框架下会被遵守，量子热学是完备的。
武愕：三位科学家在验证贝尔不方程方面的突破贡献为量子信息技术大楼的奠定了基石。
阿兰·阿斯佩在实验中以新的方法迸发原子，能以更高的速度发射出纠缠的电子，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（天津理工学院化学大学量子技术研究中心院长）：John、Alan、Anton两人的研究直击量子热学最核心的基础问题，从实验上验证贝尔不方程。
贝尔不方程的症结来自于1935年爱因斯坦、波多斯基和罗森五人提出的一个佯谬，也就是EPR（--Rosen）佯谬：要么量子理论是不完备的，要么量子力学会引起超光速的作用，与局域性相违逆。EPR佯谬并没有指责量子热学的正确性，而是指责量子热学的不完备性。
1964年，美国化学学家约翰·贝尔定义了一个可观测量，并基于局域隐变量理论预言的检测值都不小于2，而用量子理论，可以得出其最大值可以到2√2。一旦实验检测的结果小于2，就意味着局域隐变量理论是错误的。此前贝尔始终站在爱因斯坦一方，贝尔研究隐变量理论的本意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。贝尔不方程的诞生宣告量子理论的局域性争议从带哲学色调纯粹思辨变为实验可证伪的科学理论。
约翰·克劳泽证明贝尔不方程不创立的实验：用特殊的光迸发钙原子，发射出两个纠缠的光子，之后在两端用滤光片检测其偏振光情况。
John发展了贝尔的看法。1972年，John等人完成第一次贝尔定律实验，因存在定域性漏洞，即纠缠的粒子之宽度离太小，不足以说明纠缠的非局域性，结果不具有劝说力。
1982年，Alan等人改进了的贝尔定律实验，实验结果违背贝尔定律。
1998年，Anton等人在英国因斯布鲁克学院完成贝尔定律实验，彻底排除定域性漏洞，实验结果具有决定性。
2015年，Anton完成了无漏洞的贝尔不方程实验验证量子物理学大学排名，同时排出定域性漏洞和检测漏洞。
澎湃科技：诺贝尔化学学委员会主席Irbäck说“获奖者对纠缠态的研究十分重要，甚至赶超了解释量子热学的基本问题”。怎样理解这句话？
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哪些，虽然它们相距很远。很长一段时间以来，学界的争辩在于相关性是否是由于纠缠对中的粒子包含隐藏的变量，这种指令告诉它们在实验中应当给出那个结果。在20世纪60年代，约翰·斯图尔特·贝尔发展了以他的名子命名的物理不方程。这说明，假若存在隐藏变量，则大量检测结果之间的相关性永远不会超过某个值。但是，量子热学预测，某种类型的实验将违背贝尔不方程，进而造成比原本可能更强的相关性。
在纠缠量子态中，虽然两个粒子分离，它们也表现得像一个单独的单元。2022年化学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公路。
薛鹏：纠缠是量子信息里最重要也最基础的一个单元，像现今我们所涉及到的量子保密通讯，量子通讯、量子估算等等，它们的基础都建在量子纠缠之上。正是由于量子纠缠的奇特的性质——量子的非局域性，它能够有完全赶超精典化学的一些功能。其次，它还提供了量子纠缠光源大规模制备及高色温量子纠缠光源制备的方法，并且可以否认量子纠缠光源的有效性。
武愕：以纠缠光子验证贝尔不方程不创立除了是对量子热学基本问题的解答，更重要的是开启了纠缠态在量子通讯、量子精密检测中的应用。
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，全量子网路和量子计算机跟量子纠缠有深刻的联系。这也意味着，她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路和量子计算机的发展。
澎湃科技：在光子纠缠实验研究方面，她们克服了如何的难点？
金贤敏：三位科学家早在2010年“因其在量子化学学基础上的基本概念和实验贡献，非常是一系列愈加复杂的贝尔不方程测试，而获得沃尔夫奖（WolfPrize）”。去年的诺奖“以嘉奖她们对纠缠光子进行的实验，证明了对贝尔不方程的违背和开创性的量子信息科学”。具体而言：
Alain：做博士论文的课题时，他率领团队进行的实验否认了贝尔定律的正确性，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”，在现实中虽然早已实现了：两个粒子的波函数之间的相关性依然存在，由于它们以前是相同波函数的一部份，而在检测其中一个粒子之前是没有遭到干扰的。
John：他读到了知名的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律。中间遇见好多困难，但仍然在坚持这个方向的研究，最终与在伯克利的合作进行试验，这个实验实现了令爱因斯坦曾经倍感苦恼的鬼魅般的远距离作用。
安东·塞林格举办了更多证明贝尔不方程不创立的实验。他把激光打在特定的晶体上来形成纠缠的光子对，在检测中使用随机参数。他的研究小组证明了量子隐型传态现象，量子态可以从一个粒子转移到远处的另一个粒子上。
Anton：他以纠缠方面的实验和理论工作而蜚声，最知名的是多粒子纠缠态的实现、量子隐型传态、量子通讯和密码学、光子量子估算等。1997年，他和朋友首次完成了量子隐型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好多实验技术与实验仪器，在初期的实验中，因为纠缠光子对形成效率低，光子侦测效率低，光子侦测噪音大，很难将有效的光子信息读取下来，因而光子的量子特点很难呈现在你们面前。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形成方式，克服种种不利条件，尽可能不断紧贴理论构想，在实验上验证了贝尔不方程的不创立。
薛鹏：第一是光源上的难点。由于纠缠光子对或纠缠离子对一定会遵守不方程，怎样找到和制备出这样的粒子，这是有难度的。制备下来之后，怎样去堵上实验漏洞，例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，她们的实验验证本身就是具有开创性的。
澎湃科技：具体来说，这三位科学家有什么标志性的工作成果？
薛鹏：安东·塞林格（Anton）在1997年完成了量子隐型传态的原理性实验验证工作，首次用实验实现了量子隐型传态。这篇论文发表于《自然》，荣获了历史上100篇最有影响力的文章。
约翰·克劳泽（John）在还是波兰学院研究生时，和Horne、Abner及Holt一起，通过如今被称为-horn--Holt(CHSH)不方程，将贝尔1964年的物理定律转化为一个极其具体的实验预测。
随后约翰·克劳泽和研究生一起，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继续进行了另外三个实验，以测试量子热学和纠缠的基础，每位新的实验都否认和扩充了他的结果。–实验是对CHSH不方程的第一个检验，它早已在世界各地的实验室进行了数百次的实验测试，以否认量子纠缠的真实性。
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方程不创立，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骰子的二阶关联。
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，虽然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哪些？
金贤敏：量子信息主要包含量子估算、量子通讯和量子精密检测三个方向。由量子热学研究和描画微观粒子的结构、性质及其互相作用，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，成为联接物质、能量和信息等基本要素的桥梁与纽带。
这三个方向中量子估算最有潜力，正在成为新一轮技术革命的核心科技力量。量子估算以量子比特为基本单元，借助量子叠加和干涉等原理实现并行估算，可提供指数级加速量子物理学大学排名，实现突破精典估算极限的算力飞越。与传统计算机相比，量子估算具有超高算力、并行估算、可逆估算等特性。可应用在人工智能、电信网路、航空航天、金融科技等领域。量子估算算法和应用不断拓展，有可能率先在量子物理、组合优化、复杂网路排序等方面获得突破。
薛鹏：肯定是量子估算，量子估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，像量子保密通讯及量子精密检测等都应用到了量子纠缠的特点，量子纠缠也是我们比较关心的问题，有可能形成一些改变人类生产生活形式的应用。
武愕：目前量子信息领域中的核心问题有几个方面：量子通讯，量子模拟，量子传感器，量子估算。
澎湃科技：您认为距离实现真正的量子计算机，还有什么核心科学问题须要解决？
金贤敏：近些年来，量子估算硬件物理平台各种技术路线的比特数及量子容积等指标频创新高，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须要近乎绝对零度，对气温有很高的要求，离子阱量子估算须要超高真空和一定的高温环境。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。而光量子路径是惟一才能满足这种条件的技术体系，是通向大规模通用量子估算的最可行路径。
薛鹏：首先是大规模量子纠缠制备。除此之外，要真正做量子估算可能须要让多个粒子都处在一个纠缠态上，即怎样制备多粒子纠缠。据悉，还要保持它的相干特点，让它的寿命显得很长。由于量子的所有特点都基于它的叠加特点，假如有一个外界的干扰，或则说噪音，把它的相干性清除了，这么它还会丧失量子纠缠的特点不能否应用到量子估算。所以说它十分难得，又特别容易被破坏。
武愕：距离实现通用的量子计算机，目前须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。