日前，2022年诺贝尔化学学奖获得者即将出炉，得奖者分别为美国化学学家阿兰·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）.
2022年诺贝尔化学学奖得奖者
乘着近些年来火热的量子热学狂风，去年数学学诺奖的施行也成了大众关注的热点。不过，量子化学似乎已经应用在了人们生活的各个方面。只是在介绍这种应用之前，还需先简单了解哪些是量子化学。而要说清楚这一问题，还得从爱因斯坦那句“上帝不会掷色子”说起。
因果论和随机性
量子化学史上的三次论争
“上帝不会掷色子”来自于爱因斯坦同玻尔的辩论中。当时，以玻尔为首的阿姆斯特丹学派觉得，在量子热学中存在不确定性原理，也即“粒子的位置与动量不可同时被确定”。（玻尔是1922年诺贝尔化学学奖获得者，提出了互补原理）
而这点让爱因斯坦很苦恼，他表示不认同玻尔的数学哲学。爱因斯坦觉得，数学就是通过找出与因果相关的变量，来量化自然里的事物，一切未被解释或定性的，只是没有确定某个变量。于是爱因斯坦深信因果论，不承认自然界存在随机性，更别说不确定性原理。
爱因斯坦与玻尔
相反地，玻尔很坚持自己学派的理论量子物理现实应用，承认这些随机性。（阿姆斯特丹学派包括玻尔、海森堡、泡利和玻恩等化学学家）
在波函数的几率展现中，阿姆斯特丹学派觉得，量子热学必须舍弃传统热学的因果律和决定论，而把机率看作本质。
在海森堡提出的不确定性原理中，海森堡觉得，在用宏观仪器观测微观粒午时，观测这个动作即对微观粒子引起了干扰，犹如盲人想晓得雪花的形状和构造那样。（在量子化学的检测中，即降低位置的确定性，便增加了动量的确定性，在时间和能量上也适用）
在玻尔提出的互补原理中，对不确定性原理进行了补充，玻尔表示，微观粒子具有波粒二象性，即粒子和波两种图象不能同时存在。但为提供完整的描述，又必须将这两种图象结合互补。（波粒二象性，如一条来回奔跑的狗可以被描述跑的路线，也可以被描述在某一位置的静止状态，但两种描述不能同时存在）
但爱因斯坦觉得，假如承认随机性、摒弃因果论，假若量子热学仅可构建在可观察量的基础上，那理论便限制了人能观察到的东西，那数学研究的意义何在，所以表明立场——量子热学不具有完备性。
以后，也就爆发了数学学史上最精彩的几次论争。虽然爱因斯坦对机率性和不确定性已经不满。
索尔维大会
第一次论争
在1927年的第五届索尔维大会上，爱因斯坦发起了第一次逼抢——针对位置与动量。他设计了双缝干涉理想实验，通过控制电子枪使电子挨个发射，屏上的显示即为电子的位置，而关掉一个空隙，即可晓得电子从那个缝下来，因而测出其路径。因为干涉白色可以估算电子波的波长，所以可以算出电子的动量，于是动量和位置同时可知，不确定性被推翻。
玻尔思索许久指责道，假如关掉了其中任何一个缝，双缝的干涉现象便不复存在，实验又回到了单缝状态。更重要的是，电子行为依赖于壁障上是否有多的狭缝，即依赖于我们对实验的安排。于是，爱因斯坦的理想实验逼抢失败，还成了用互补原理证明波粒二象性的事例。
第二次论争
在1930年的第六届索尔维大会上，爱因斯坦发起了第二次逼抢——针对时间和能量。他设计了一个理想光子箱，上面装着光和挂钟，在某一特定时间让一粒光子从袋子的小缝飞出，之后称得袋子的质量改变情况（因为光再小也具有有效质量）。依据爱因斯坦的质能多项式，即可测出能量变化，同时在挂钟计时的情况下，时间也得到了检测，不确定性再被推翻。
玻尔听完此实验脸色惨白，不过在一下午的思索过后，他做出了漂亮的回答。因为光子箱是由弹簧秤检测，而当光子飞出造成袋子质量变化时，袋子也必定沿重力方向运动。此时虽然质量检测确切，但因为袋子在重力场发生了位置变化，箱内挂钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而改变，进而促使时间的检测形成一个不确定量，于是时间的检测仍不够确切。
于是，第二次论争中，爱因斯坦再败，但他很满意玻尔的解释。
第三次论争
在这以后，爱因斯坦并未舍弃，仍坚持觉得量子热学不够完备。于是便在1935年联合波多尔斯基、罗森发布了知名的EPR悖论，此次爱因斯坦引用了量子热学的“全同粒子”概念，再度向不确定性原理发起了逼抢。（全同粒子是指处于一个原子内部的两个电子，在脱离原子成为独立电子后，能够具有完全相同的属性）
爱因斯坦假定，全同粒子A和B沿辩题向飞去，依据动量守恒，A和B动量必将相反，A飞了多远B也一样。于是此时检测A的动量，便可得B的动量，此时检测B的位置，也能求出A的位置。这么每位粒子都只测了一次，却晓得了它们的动量和位置信息，又一次推翻了不确定性原理。
这一次，玻尔回答说，A和B应当算作一个量子系统，用同一个波函数表示，当你检测A的动量时，虽然就早已破坏了B的位置信息，反之亦然。这两个粒子似乎分开，但处于某种“纠缠状态”。
爱因斯坦此次可不买账，他掏出了相对论来驳斥：这两个粒子可以相距几十光年，那它们都会互相影响吗？莫非说它们之间存在超光速的超距作用（亦称为非定域性量子物理现实应用，即赶超时空顿时地作用和传播）？玻尔直至离世也没给出直接回答。
量子纠缠
后来，爱因斯坦引入了量子纠缠的概念，也就是说，不确定性原理之所以创立，是由于量子之间存在超光速的纠缠效应。而这个纠缠效应用因果论的话来说，就是一个隐变量，倘若能确切找出并定性该隐变量，能够确切地同时测算出位置和动量、时间和能量，也就不会出现不确定性。
关于这个隐变量，玻尔不承认它的存在，但是后续也不再有针尖对麦芒的论争，你们都在“各说各的”。于是当时的学术气氛弄成——要么选择相信随机性，追随阿姆斯特丹学派；要么去找出爱因斯坦都找不出的隐变量。为此，量子热学的研究停滞不前。
直至贝尔实验和贝尔不方程的出现，总算在隐变量这朵大乌云下，让量子热学重新见到了曙光。
爱因斯坦头号迷弟的成就
竟是证明爱因斯坦错了
按照本次诺奖官方通稿表示，“此奖为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。”
不过，贝尔是谁？哪些是贝尔实验和贝尔不方程？
贝尔与贝尔不方程
约翰·斯图尔特·贝尔同样是一名化学学家，只不过生得比较晚，在爱因斯坦和玻尔论争之时，贝尔才不到十岁。但他后来是爱因斯坦的忠实跟随者，为证明EPR佯谬的正确性，他在1964年提出了知名的贝尔不方程，以巧夺天工的逻辑，找出了隐变量存在的证据。
贝尔不方程涉及到三维空间内的粒子载流子运动，解释上去比较麻烦。笔者在网上找到一个容易理解的类比式版本，可以轻松看懂贝尔实验的内核。
首先，将粒子发射器称作房屋，左右两扇门称作发射口，粒子称作人，粒子的属性为人的性别。最初，一个屋子左右两扇门，隔一定时间，每一扇门分别走出一男或一女。A记录左门，B记录右门，结果证明一个规律，左右门走出男女情况一定相反。
AB记录房屋里走出的男女示意图1
然后加入变量，A保持面对左门记录，B背对右门等人下来以后再记录。结果发觉，她们所记录的情况出现了1%的偏差。于是规律改变：当A或B背隔壁记录时（观测方式改变时），左右门走下来的男女情况有1%的机率相同，这同时证明每一对走下来的人存在交流（即存在量子纠缠）。
AB记录房屋里走出的男女示意图2
然后再加入变量，A、B同时背隔壁等人下来杂记录，于是根据过往规律，偏差将≤2%。若偏差情况在预计中，即证明隐变量存在且可控，爱因斯坦正确。但若果偏差＞2%，即证明玻尔正确，量子热学存在不确定性。
AB记录房屋里走出的男女示意图3
但实验并未完成，由于当时配置不够，贝尔以理论推导入贝尔不方程，认定此偏差≤2%，证明爱因斯坦的理论正确。
不过随着时代发展，配置日渐齐全，后人（也即近期夺得诺奖的两人）仍在不断进行贝尔的实验，只是后来的结果却与贝尔不方程偏颇。也即是说，前文提及的偏差，在后来克劳泽的实验中大到令人无法置信，贝尔不方程也被证明在量子世界中不创立。
而由此可推出那场化学界小型论争的结果——爱因斯坦错了，玻尔是对的。
但这不是最终结论，由于实验仍在继续，化学学家们想厘清楚偏差是如何出现的。于是在阿斯顿的实验里，他设计了超长的距离。回到之前的类比，他想晓得——房间走下来的那对人，其性别是取决于AB的观测方式；还是说人下来时没有性别，是双方联系后才决定各自性别的。
也就是想晓得，被发射粒子的属性是与生俱来的；还是说粒子下来时不具备属性，而是会相互联系并判定观测者的观测方式，来决定自己呈现哪些样的属性。
结果令人大吃一惊。第一是粒子出现时不具备属性，携带哪些样的属性的确是取决于观测者的观测方式；第二是粒子间的确存在相互联系，但是因为实验中成对的粒子距离足够远，消息的交互已经超过了光速，这点证明了超距作用的存在，也即量子纠缠的确存在。
这是一个令不少人三观倒塌的推论。也就是照此逻辑，在量子世界里，各粒子都不自带属性，所谓的“客观存在”也不创立？我们怎么观测它，它就怎么呈现自己的属性，那量子世界完全由我们的主观构成吗？
这点显然得相当专业的人士能够解答。不过笔者还晓得一些，关于量子化学在现在和未来有哪些用。
量子应用多点开花
物联网领域已开始试点
就目前的发展来看，量子技术将对物联网形成不少积极影响，包括对估算能力、网络延后、互操作性、实时剖析等功能的优化，同时降低数据储存能力，为云估算提供安全保障。另一方面，在新兴的5G联通基础设施中，量子加密将是提升IoT联接量增长的解决方案。
量子物联网还可以提高数据流的可操作性，将来自不同边沿的数据流（从产品线上的武器到消费品中的传感）结合至AI中，可以有效改变人们工作、生活和娱乐的形式。因为同传统计算机的01编码不同，量子编码的三维复数方式将彻底改变开发环境，但并不影响物联网的定义，反倒加速了物联网的覆盖。
最重要的是，量子估算出现在物联网领域，即可让所有电子设备均能在互联网上完成轮询。
去年年初，量子化学已应用在煤气表上。获悉，国外首批“量子安全智能煤气表”已经在南京开始试点，举办基于量子安全技术的NB-IoT物联网煤气表的研制和示范应用。目前初定的目标是改建换表20万块，新增物联网表8万块。其中通讯技术借助量子秘钥加密，可实现保密安全通讯，保障煤气用户的数据信息安全。
量子煤气表
同时，无锡已开通量子城域网。该项目是目前国外规模最大、用户最多、应用最全的量子保密通讯城域网；该网路含8个核心节点和159个接入节点，量子秘钥分发网路光纤全长1147公里，可为市、区两级党政机关提供量子安全接入服务和数据传输加密服务，提高电子政务安全防护水平。
除了这般，在通讯领域，明年二月中国网通发布了业内首款基于量子信息技术的VoLTE加密通话产品――天翼量子高清密话。同时发布了业内首款搭载量子安全通话产品的手机天翼1号2022，该产品采用国产订制手机、量子安全SIM卡和国密算法“三重保护”，为用户提供“管-端-芯”一体化安全防护，带来保密通讯创新应用。
除此之外，作为新型安全加密工具，后量子密码和量子秘钥已遭到军事物联网重点关注。后量子密码不能被量子计算机攻陷，目前日本已在布局。而量子秘钥分发则在欧共体受众更多，其容许在物理上证明安全性的情况下进行安全的加密秘钥交换。
在物联网行业，大部份技术都最先作用于军事（例如通讯类的蓝牙和UWB等），于是也能据此判定未来消费端的趋势。在未来，量子物联网也将成为某个时代的主曲调。
结语
回到文章开头因果论与随机性的问题上，结合化学学家们的争辩不难发觉，数学问题已经弄成了哲学问题，也因而得不到完美的答案。
但通过推论可以确定，我们已难以再用现实世界的标准去看待量子世界。爱因斯坦想通过因果关系理顺量子化学的逻辑，结果量子并不自带属性，难以被定义因果；玻尔想通过承认随机性来理解量子化学，结果量子却不表现出随机，只是随观测方式而变化。
随着本次诺贝尔奖施行，一方面记录了化学学家们的贡献，更是为量子世界打开了新的房门，不难得知，之后还将出现更多刷新我们的世界观的理论出现。
另一方面，随着量子渐渐被理解和开发，人们也将更多地接触并运用它，只是在未来，仍有甚多未知和挑战在等待着我们。