2022年诺贝尔化学学奖明天出炉，授予英国科学家阿兰·阿斯佩（Alain）、美国科学家约翰·克劳瑟（JohnF.）和德国科学家安东·塞林格（Anton），以嘉奖她们为量子纠缠实验、证明违背贝尔不方程和开创性的量子信息科学所做出的贡献。
值得一提的是，塞林格是中国科大学教授潘建伟的导师。潘建伟率领团队所做的一系列工作，发展了塞林格开创的多体量子纠缠研究方向。潘建伟的中学生、上海交通学院院长金贤敏表示，三位诺奖得主开启了第二次量子科技革命，这一革命已接近产业化阶段，将与人工智能等新一代信息技术交织在一起，产生颠覆性创新成果。
EPR实验批驳爱因斯坦
去年诺贝尔化学学奖“花落”量子科技。“这个科技领域的基础是量子热学，它是一种有助于我们理解世间万物的理论。”金贤敏说。所谓量子，是一个数学量不可分割的最小单位。某个数学量假如不能连续变化，只能取一些分立的值，它就是量子化的。好比走走道，我们只能登上一个台阶，而不能登上半个。科学家发觉，宏观世界里的化学量虽然都能连续变化，但在微观世界，许多数学量是量子化的。
左起：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟、安东·塞林格
量子热学诞生后，爱因斯坦等化学学家提出了指责。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出一个名为“EPR”（两人姓名的首字母）的思想实验：制备A、B两个粒子的“圆”态，使它们在这一状态中的某个性质（如电子的载流子角动量、光子的偏振光）相乘等于零，而单个粒子的这个性质不确定；再将它们在空间上分开得很远（例如几光年）；随即检测粒子A的这个性质。当测得A是“上”，那么检测者立即就晓得B的性质是“下”。
在爱因斯坦看来，EPR思想实验是不可能实现的，一个粒子的性质发生变化，另一个与它处于纠缠态的粒子怎样可能顿时“感应”到它的状态，因而发生变化？他把量子纠缠态称为“幽灵般的超距作用”。为了破解这个数学学界的“公案”，美国化学学家贝尔提出了贝尔不方程和贝尔定律，使EPR佯谬成为一个可以用实验检验的问题。
上世纪80年代，阿斯佩借助已成熟的技术条件做了EPR实验。结果发觉：处于量子纠缠态的两个粒子竟然真的具有超时空关联！它们无论相隔多远，一个粒子的量子态确定时，另一个粒子的量子态也顿时确定。阿斯佩的这项开创性工作，除了批驳了爱因斯坦，也启动了第二次量子科技革命。
科学家能操纵单量子态
20世纪40年代，第一次量子科技革命爆发潘建伟 量子通讯，催生了原子弹、半导体晶体管、激光器等重要成果。上世纪末以来，第二次量子科技革命在信息技术领域盛行，催生了量子通讯、量子检测、量子估算等创新成果。非常是量子估算，有望颠覆人类目前使用的电子计算机，在运算效率中将精典超级计算机甩在身旁。
“第一次量子科技革命，实现了在系综级别操纵量子。而第二次革命，让人类高精度、大规模、远距离操纵单量子态成为可能。”金贤敏告诉记者，在这一科技突破过程中，他的师公塞林格做出了重要的理论和实验贡献——将阿斯佩实现的两个粒子纠缠，提高为3个及以上粒子的多体纠缠。
另一位得奖者克劳瑟也对量子纠缠作出了重要贡献。半个世纪之前，克劳瑟就与合作者在世界上第一次观察到量子纠缠，这也是第一次对违背贝尔不方程的实验观察，确定贝尔不方程在量子世界中并不创立。随后，他又进行了世界上第二次对贝尔定律预测的实验检验。
“所谓量子纠缠现象，就是两个共同来源的微观粒子，无论它们分开多远，一旦其中一个粒子发生变化，会立刻影响到另一个粒子。似乎一对双胞儿，彼此存在‘心灵感应’。”李政道研究所量子基础科学研究部的李政道学者钟瑞丹觉得，这些纠缠现象，别说对于老百姓，对于科研工作者也是很神奇的。
她给中学生打了一个比方：月球上有一对夫妇，父亲去太空出席星球大战，不幸战死。这么在月球上，他的儿子在父亲战死的刹那间就成为一个寡妇，也就是说二人的状态同时发生了变化。钟瑞丹说：“我们只须要有办法侦测月球上丈夫的状态，究竟是在婚还是亡故潘建伟 量子通讯，才能判定遥远的星球上发生了如何的战事。父亲与母亲之间某种纠缠关系就类似于量子纠缠。”
潘建伟教授（右）和中学生陆朝阳在实验室。
量子科学应用价值巨大
在三位诺奖得主理论和实验贡献的支撑下，量子信息科学的应用价值愈发凸显。
借助量子叠加态等科学原理，人们可以进行量子保密通讯。潘建伟教授解释，精典通讯的讯号只有0和1，发生监听时，这两种讯号都不会被扰动。量子通讯与之不同，不但有讯号0和1，还有0+1、0-1等量子叠加态。依照量子热学的不确定性和不可克隆原理，量子讯号一旦被监听，量子叠加态才会遭到扰动，有可能“塌缩”成另一种量子态。这样一来，通讯双方能够立刻察觉。
2016年8月，我国首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射成功，实现了星地之间1000公里级量子纠缠、密钥分发及隐型传态。“墨子号”还实现了中国和俄罗斯之间历时7600公里的洲际量子秘钥分发，并借助共享秘钥完成了加密数据传输和视频通讯。这项成果为未来建立全球量子通讯网路奠定了基础。
科研人员在量子科学实验卫星总控中心工作。新华社发
与量子通讯相比，量子估算是一个更热门的前沿科技领域。按照量子叠加态原理，一个粒子可以既处于“0”又处于“1”的状态，两个处于叠加态的粒子发生量子纠缠后，才会有4种状态（2的2次方）。假如100个粒子发生量子纠缠，则会出现2的100次方种状态。这么海量的状态，可以让量子计算机拥有强悍的并行估算能力。
《量子信息和量子技术蓝皮书（南京宣言）》预测，量子估算研制分为3个阶段：第一阶段是实现量子优越性，即针对特定问题的估算能力赶超精典超级计算机；第二阶段是实现具有应用价值的专用量子模拟系统；第三阶段是实现可编程的通用量子计算机，这须要全球科技界的常年努力。
预计未来10—20年内，一批专用量子模拟系统将研制成功，用于催化物理反应模拟、高温超导材料制备等科研工作。它们的运算效率有望比精典计算机高得多，因而急剧提高那些领域的科研效率。
