10月4日,匈牙利皇家科大学宣布,将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。
去年的诺奖数学学奖“花落”量子热学,可谓众望所归。正是由于这三位科学家的实验验证,证明了贝尔不方程在量子世界中并不创立,才开创了量子信息这一全新的研究领域,而且促使明天的量子计算机、量子通讯等成为一个有着巨大潜力的研究和产业领域。
为学界津津乐道的是,明年的新晋得主塞林格,是中国科大学外籍教授,同时也是潘建伟教授的博士导师。
她们促使量子信息技术的发展成为可能
“这三位科学家验证了量子纠缠这一基础理论,在验证的过程中也同时促进了以量子估算、量子通讯等为代表的量子信息技术。”上海交通学院院长金贤敏从事光量子芯片技术研究,他在博士期间就在潘建伟院士的指导下,负责在长城附近完成了当时最远距离的量子隐型传态实验,验证了基于卫星的全球化量子通讯的可行性。
“可以说,由于她们的成就,量子计算机、量子通讯、量子精密检测、量子成像等量子信息技术,有望成为具有重大改革性的新一代信息技术,早已成为很大的研究领域。”金贤敏解释称,量子信息技术发展的关键是对量子态的精确的操控,而量子纠缠的验证正是有效促进了人类对两体以上量子态的操控能力。根据量子热学,容许两个或多个粒子以纠缠态存在。纠缠粒子对中的两个粒子在相距很远的情况下,一个粒子的状态决定了,这么另一个粒子的状态也立刻决定。量子纠缠概念最早由爱因斯坦提出,但量子纠缠是否存在,以及到底是在局域还是广域有效,是化学世界存在了百年的争辩。
阿斯佩、克劳泽和赛林格各自使用“两个或两个以上粒子虽然在分离时也表现得像一个单元”的纠缠量子态,进行了开创性实验,验证贝尔不方程在量子世界不创立,证明了量子纠缠的假想是存在的。
同济学院化学学系院长李晓鹏告诉记者,这三位科学家解决了量子信息科学核心的基础问题,其中的贝尔不方程的科学意义就是从根本上证明了量子热学是正确的。在历史上,量子热学是否是这个微观化学世界惟一的描述方式,虽然是存在争议的。而她们三位验证的贝尔不方程就是确定了量子热学的正确性。
“量子热学是整个科学的奠基,数学学、化学、半导体、生物学、材料学等学科的底层理论都早已是量子热学,三位获得者,论证了量子纠缠的存在的,验证了百年的争辩,非局域是正确的。她们的实验结果为基于量子信息的新技术奠定了基础。”金贤敏说,也正是由于要证明这个基础理论,要操纵量子态,要发展单量子态、多量子态等技术,实际上促进了以量子估算为代表的量子信息技术,量子估算促使算力指数级降低,有望在后摩尔时代继续提高人类算力。
中国的科研成果出现在诺奖的介绍中
这次诺奖委员会对于数学学诺奖中,专门谈到了中国的潘建伟团队。而据数学学界多位接受访谈的学者称,中国的量子科学技术应当是为数不多的可以并跑,甚至在个别方面可以领跑的科学研究领域。
据诺奖委员会介绍,量子技术的一个重要目标是能否在特别大的范围内分配纠缠距离,便于传递量子信息。最简单的方式是使用光学,但问题是光会衰减。在精典通讯网路中,可以通过光纤链路放大器解决,然而在量子态,一个解决方案是借助卫星通过太空发送讯号以防止损失。人们可以在很远的距离上构建量子纠缠。而中国的潘建伟小组在2016年发射第一颗量子通讯卫星墨子号时就使用了这一技术,但是其后与塞林格小组合作,使用同一颗卫星在中国和俄罗斯之间实现了量子纠缠。
在北京院校,量子科学的研究也有着各自的特性。例如更聚焦材料、计算、芯片等相关技术。
“也正是由于她们验证了量子纠缠潘建伟 量子通讯,才表明大规模的量子比特估算系统赶超精典估算力的可能性。”李晓鹏主要从事量子算法研究和量子编码方案研究。他说,量子计算机和精典计算机一样,在完成估算任务的时侯同样须要算法。一个可编程的量子元件就是一个量子计算机的雏型,怎样用可编程的量子元件去解决一些科学问题或应用问题,都须要算法的推动。
不久前的《量子信息和量子技术蓝皮书(南京宣言)》就预测潘建伟 量子通讯,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。
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。