2022年诺贝尔化学学奖重磅出炉,量子光学夺得!上海时间10月4日17时45分,诺贝尔奖委员会宣布将2022年度诺贝尔化学学奖授予阿兰·阿斯佩(Alain)院士、约翰克劳瑟(JohnF.)院士、塞林格(Anton)院士,以嘉奖她们对于量子光学和原子化学方面的实验研究工作,尤其是在验证贝尔不方程方面先驱性的工作。值得一提的是,这是继2018年马来西亚科学家、法国科学家和美国科学家Donna因在激光化学领域取得突破性发明得奖以后,时隔4年、诺贝尔化学学奖再度花落光学领域,可喜可贺!
阿兰·阿斯佩(Alain)量子物理学,1947年6月出生于美国西北部阿基坦地区的阿根镇。他结业于英国的一所地区性学院奥赛学院。1983年,他获得奥赛学院博士学位。阿斯佩是伦敦知名的国家科学研究中心(CNRS)的研究所长。他曾获得了2010年沃尔夫化学奖、2012年的爱因斯坦奖状等荣誉奖励。约翰·克劳瑟(JohnF.),1942年出生于加利福尼亚州帕萨迪纳市。1964年,他他获得了加洲理工大学数学学学士学位,三年后获得数学学硕士学位,并最终在1969年获得了罗马尼亚学院化学学博士学位。塞林格(Anton),1945年出生于荷兰,1971年在维也纳学院获得博士学位。他曾在维也纳技术学院和因斯布鲁克学院任教,1999年加入维也纳学院并兼任化学系院长。历任法国科大学教授。
在量子世界中,两个“纠缠”的粒子,无论被分隔到多么遥远,都可以保持联系,并瞬时共享它们的化学状态。爱因斯坦曾将这些神秘的现象称之为“鬼魅般的超距作用”。
去年的诺贝尔化学学奖的三位得奖人Alain、John和Anton各自借助纠缠量子态进行了开创性的实验。她们的研究结果为目前为基于量子信息的新技术奠定了基础。
现现在,与量子热学的应用有关的研究领域早已显得十分庞大,这包括量子计算机、量子网路,以及安全的量子加密通讯。这一进展的一个关键便是,量子热学容许两个或多个粒子处于纠缠态中。
在很长一段时间里,化学学家都在思索,这些相关性是否与纠缠对中的粒子包含隐变量有关。所谓隐变量,指的是能告诉它们在实验中应当给出哪些结果的指令。
20世纪60年代,约翰·贝尔(JohnBell)提出了以他的名子命名的物理不方程。这个不方程表明,假若存在隐变量,这么大量检测结果之间的相关性,将永远不会超过某个值。可是,量子热学预测,某种类型的实验将违背贝尔不方程,进而形成比其他情况更强的相关性。
量子热学的纠缠对可以称作一台机器,它奔向相反方向抛出反色的球。当鲍勃抓到一颗球,并看见它是红色的时,他就立即晓得爱丽丝抓到了一颗红色的球。在一种使用隐变量的理论中,这种球总会包含着关于颜色的隐藏信息。并且量子物理学,量子热学觉得,这种球都是黑色的,直至有人看见它们时,其中一颗会随机弄成红色,另外一颗则弄成蓝色。贝尔不方程表明,有一些实验才能分辨这种情况。这类实验早已证明了,量子热学的描述才是正确的。
延续了贝尔的看法,并进行了一项实际的实验。当他进行检测时,结果似乎违背了贝尔不方程,进而支持了量子热学。这意味一个使用隐变量的理论难以替代量子热学。
John使用钙原子,在他利用一种特殊的光照耀粒子后,钙原子可以发射纠缠光子。他在两侧分别安置了一个过滤器,来检测光子的偏振光。经过一系列检测,他就能证明它们违背了贝尔不方程。
在完成他的实验以后,依然有一些漏洞存在。对装置进行了改进,因而填补了其中的一个重要漏洞。借助他的装置,他还能在一个纠缠对离开它的源后切换检测设置,所以当它们被发射时存在的设置不会对结果形成影响。
Alain开发了这项实验,他用一种新的方式迸发原子,让它们以更高的速度发射纠缠光子。他还能否在不同设置之间切换,因而这个系统不会包含任何可能影响结果的预先信息。
通过精密的工具和一系列的实验,开始使用纠缠量子态。据悉,他的研究小组还展示了一种被称为量子隐型传态的现象,致使在一定距离中将量子态从一个粒子联通到另一个粒子成为可能。
Anton后来对贝尔不方程进行了更多测试。他将激光对准一种特殊的晶体,创造了光子纠缠对,并使用随机数在检测设置之间切换。一项实验借助了来自遥远星体的讯号来控制过滤器,并确保讯号不会互相影响。
这种研究和实验为当前量子信息科学的密集研究奠定了基础。就能操纵和管理量子态及其属性,使我们能否发展出具有意想不到的潜力的工具。这是量子估算、量子信息的传输和储存,以及量子加密算法的基础。这种日渐建立的工具使我们愈加接近这些现实的应用。
第一次量子革命给我们带来了晶体管和激光,如今,在这种拿来操纵纠缠粒子系统的现代工具的帮助下,我们正在步入一个新的量子信息时代。