财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 潘建伟导师获诺奖!

潘建伟导师获诺奖!

2022年诺贝尔物理学奖获得者:

阿兰·阿斯佩(Alain Aspect )教授、约翰克劳瑟(John F. Clauser)教授、 塞林格(Anton Zeilinger)教授

 

2022年的诺贝尔物理学奖授予阿兰·阿斯佩(Alain Aspect )教授、约翰克劳瑟(John F. Clauser)教授、 塞林格(Anton Zeilinger)教授,以表彰他们对于量子光学和原子物理方面的实验研究工作,尤其是在验证贝尔不等式方面先驱性的工作。

撰文 | 邸利会
 

此前,三位教授已经在2010年获得沃尔夫物理学奖,表彰他们在量子纠缠领域的成就,为量子通信和量子计算等量子信息技术建立了基础。

 

沃尔夫奖在介绍中说,“该奖项认可的一系列量子相关光子实验是由约翰克劳瑟及其合作者的工作发起的,他们展示了如何将贝尔不等式应用于一种特定的实验情形。在该实验中,两个纠缠光子生成,它们特性的相关性在两个分离的检测器中测量到。这个开创性的实验显示出与量子预测的一致,并排除了任何局部确定性理论(local deterministic theory)。”

 

阿斯佩,1947年6月出生于法国西南部阿基坦地区的阿根镇。他毕业于法国的一所地区性大学奥赛大学(Université d’Orsay)。自1969年开始,作为国家服务的一部分,他在非洲的喀麦隆教了三年书。1983年,他获得奥赛大学博士学位。

 

攻读博士学位期间,他完成了一项重要工作。

 

1935年,爱因斯坦(Albert Einstein)、鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和纳森·罗森(Nathan Rosen)发表了一篇著名的论文,质疑量子力学的完备性。题目是“Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ?”(“量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗?”)。这就是著名的EPR文章。

 

他们提出,如果有两个粒子,它们相互作用后分开,这样就会出现对其中一个粒子的测量会影响另一个粒子的情况。爱因斯坦不喜欢这个事情,并且将其称为“幽灵般的超距作用”。人们将他们的论证称为EPR佯谬,或者爱因斯坦定域实在论。“定域实在论” 认为,一个粒子只在局部拥有其所有特性并决定了任何测量的结局。

 

但直到1964年,理论学家贝尔(John Stewart Bell)发现了后来以他名字命名的不等式,使得可以从实验上检测 “定域实在论” 的预测。 贝尔表明,即使允许其他未观察到的特性(“隐藏变量”),在纠缠量子态中产生的两个物理分离粒子的特性之间的某些统计相关性也无法用任何局部确定的的过程来解释。

 

此后,科学家做了很多检测实验。第一个实验是1972年加州伯克利的研究人员克劳瑟进行的,然后哈佛、德州农工大学的科研人员相继进行实验,但这些实验都不够令人满意,存在一些漏洞。 贝尔认为,最基本的漏洞是定域性漏洞(locality loopholes),并设想了测量的实验方法解决这个漏洞。

 

这就是1982年阿斯佩所作的工作。做博士论文的课题时,他带领团队进行的实验证实了贝尔定理的正确性,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”,在现实中似乎已经实现了:两个粒子的波函数之间的相关性仍然存在,因为它们曾经是相同波函数的一部分,而在测量其中一个粒子之前是没有受到干扰的。

 

阿斯佩的实验装置是双通道类型,其中光源被分成两束,然后通过随机设置的偏振器通过。当随后测量两个光束的极性时,发现它们在统计学上是相关的。 不过,由于技术局限,当时的偏振片的方向选择并不是随机的。

 

1998年时,奥地利 Innsbruck 大学的研究人员使用了真正随机数产生器做了实验,观察到几十个标准偏差违背了贝尔不等式。此后的2013年,研究人员又相继排除了另外一个 “测量漏洞”(detection loophole),排除了公平取样这一假设的需要。

 

2015年,荷兰代尔夫特理工大学的 Ronald Hanson,奥地利维也纳大学的塞林格教授以及在科罗拉多州的博尔德的 NIST 的 Lynden Shalm 领导的研究团队各自独立地在一次实验中将两个漏洞同时排除。阿斯佩认为这是一个伟大的成就。 

 

此后,研究者继续尝试关闭其它的漏洞。由西班牙光子科学研究所的 Morgan Mitchell 领导的称之为大贝尔检验(BIG Bell Test)的国际合作研究表明,人类的自由意志可以用来关闭 “选择自由的漏洞”。这是通过从人类而不是随机数生成器收集随机决策来实现的。该实验招募了大约100,000名参与者,以便使其具有统计学意义。 

 

在检验贝尔不等式的工作完成后,阿斯佩转向激光冷却中性原子的研究,许多实验与玻色~爱因斯坦凝聚体有关。2015年,他被选为英国皇家学会外籍会员时,英国皇家学会对他的成就有如下介绍:

“(授予这个会员是因为)他在量子光学和原子物理学方面的基础实验。阿斯佩第一个在实验演示中排除测量站之间的超光速通信,让量子力学使可分离的隐变量理论失效,也第一个在实验上演示了单光子的波粒二象性。他与人共同发明了速度选择性相干群体捕获技术,是第一个在相同条件下比较费米子和玻色子的 Hanbury Brown-Twiss 相关性,并且首次证明了在超冷原子系统中的安德森定域化。他的实验阐明了单光子,光子对和原子的量子力学行为的基本方面。”

 

目前,阿斯佩是巴黎著名的国家科学研究中心(CNRS)的研究主任。Aspect 还在 Institut d'Optique 担任 Augustin Fresnel 主席,同时也是巴黎 ÉcolePolytechnique 的教授。他曾获得了2010年沃尔夫物理奖、2012年的爱因斯坦奖章等荣誉奖励。 

 

约翰 · 克劳瑟(Clauser)1942年出生于加利福尼亚州帕萨迪纳市。1964年,他他获得了加州理工学院物理学学士学位,两年后获得物理学硕士学位,并最终在1969 年获得了哥伦比亚大学物理学博士学位。

 

1969年至1996年,他主要在劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学伯克利分校工作。

 

1972 年,他与 Stuart Freedman 合作,对 CHSH-Bell 定理预测进行了第一次实验测试。这是世界上第一次观察到量子纠缠,也是第一次对违反贝尔不等式的实验观察。

 

1974 年,他与迈克尔·霍恩(Michael Horne)合作,首次显示贝尔定理的推广为所有局部现实的自然理论(又名客观局部理论)提供了严格的约束。这项工作引入了 Clauser-Horne(CH)不等式,作为由局部现实主义设定的第一个完全通用的实验要求。它还引入了 “CH 无增强假设”,从而将 CH 不等式简化为 CHSH 不等式,因此相关的实验测试也约束了局部真实性。

 

同样在 1974 年,他首次观察到光的亚泊松统计(通过违反经典电磁场的柯西-施瓦茨不等式),从而首次证明了光子的明确粒子状特征。1976 年,他进行了世界上第二次对 CHSH-Bell 定理预测的实验检验。

 

约翰克劳瑟的父亲曾任约翰霍普金斯大学航空系主任,还担任过加州大学圣克鲁斯分校的副校长,然后回到加州理工学院并担任工程系主任。

 

当克劳瑟还是个孩子的时,就精彩徜徉于父亲在约翰霍普金斯大学的实验室,眼看着奇特的实验装置,想着哪一天长大了也可以拥有这些“玩具”。他的父亲也是一位很好的老师,有任何小克劳瑟不懂的事情,他都能很细致的讲解清楚。克劳瑟很小的时候就喜欢摆弄电子器件,制作电子游戏,还得过一些科学奖项。

 

为什么选择科学而不是学工程?克劳瑟觉得,一方面是父亲觉得科学更加 “高大上”,另一方面,一旦掌握了最基本的原则,那以后做什么都是可以的。

 

对克劳瑟一生影响较大的人有两位,除了父亲,还有论文导师。当然,工作中也有很大影响的人,比如前文所述的 John Bell 以及Charlie Townes。

 

从加州理工到哥伦比亚大学,克劳瑟感到文化上的冲击。哥伦比亚大学更大,也有和加州理工如费曼这样的大师,如李政道。哥伦比亚大学在实验物理方面也更好。他的博士学位是对宇宙微波背景辐射的第三次测量。

 

有趣的事情是,在这期间,他的量子力学课得了两次C,而哥伦比亚大学规定必须得了B或者B以上才可以。克劳瑟觉得自己是一个实在的人,如果有模型或者能视觉化某个东西的话,就可以很好的掌握,而对于抽象的纯数学不是很擅长。

 

在哥伦比亚大学研究生期间,克劳瑟读到了著名的EPR佯谬的论文以及博姆(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理。但当他把这一想法告诉导师时,收到的反馈确是不要浪费时间在这种哲学问题上。

 

在亲自开始实验之前,克劳瑟写信给贝尔和博姆,确认他没有忽略任何先前关于贝尔定理和量子非局域性的实验。两位受访者立即回信,很高兴有实验者对这个话题抱有兴趣。贝尔后来回忆说,克劳瑟1969年2月的来信是贝尔收到的关于贝尔定理的第一个直接回应。在贝尔的文章发表四年多之后,才等到学界的注意。贝尔鼓励克劳瑟,如果他碰巧能够测量出与量子理论预测的偏差,那将 “震动世界!”

 

当然,从贝尔的理想化的论文到实际的实验检验,还要克服很多的困难。此后他和位于波士顿的 Abner Shimony 组合作,发展了一种新的贝尔定理的表法方式,更容易和实验数据进行直接的比较。

 

即使他的研究做得不错,克劳瑟的就业前景却不怎样。他毕业时,美国的物理学家供求失衡,他做的贝尔定理,进一步导致他难以找到工作。克劳瑟后来说,在那些年里,对量子力学基础表现出兴趣的物理学家都背负着“耻辱”,这种感觉就像身处于宗教战争或麦卡锡式的政治清洗当中。

 

最终,在伯克利的Charlie Townes在劳伦斯伯克利实验室给他找了份博士后的工作,做天体物理。在到伯克利的行程中,他和Abner Shimony的合作依然在进行中,在1969年8月上旬到达伯克利时,他们已经准备好把论文提交给期刊。在经费缩减的情况下,克劳瑟说服Townes,让他觉得贝尔定理值得检验。Townes允许克劳瑟花一半的时间来进行这个实验。

 

克劳瑟也曾说,如果没有Charlie Townes,他恐怕都做不成1972年的突破性的实验。(此前,Gene Commins和Carl Kocher已经做过的实验,也是针对Einstein-Podolsky-Rosen佯谬。Townes认为克劳瑟设想的实验非常有意思,这个态度让Commins也不好反驳。不过,克劳瑟认为,Commins他们并不懂贝尔定理,也不懂得这个定理在当时的重要性。)他们的这个实验实现了令爱因斯坦当初感到烦恼的鬼魅般的远距离作用。

 

不过,即使做了这个实验,没几个物理学家关心这事。在《物理评论快报》上发文章一年过后,贝尔定理的全球引用反而掉了一半。在职业上,这个实验对克劳瑟的帮助也不大。他申请工作的某物理系系主任很怀疑,克劳瑟的这个检验贝尔定理的工作算不算真正的物理。

 

塞林格(Anton Zeilinger)是维也纳大学物理学名誉教授,奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。他也曾任奥地利物理学会主席,现任奥地利科学院院长。

 

塞林格1945年出生于奥地利,1971年在维也纳大学获得博士学位。他曾在维也纳技术大学和因斯布鲁克大学任教,1999年加入维也纳大学并担任物理系 “椅子” 教授。

 

他是一位量子物理学家,正如英国的物理研究所首届艾萨克·牛顿奖章所述,塞林格 “对量子物理学基础概念和实验方面做出了开创性的贡献,这些业已成为快速发展的量子信息领域的基石”。

 

建立量子信息理论的基础原理是量子叠加。量子叠加让一个量子比特不仅能够表现出0或1的传统比特状态,也能够呈现出其他任意中间状态。量子不可克隆定理表明,一个未知的量子态不能够被精确地复制。当一个量子系统由两个或多个量子比特组成时,量子叠加就成为了量子纠缠,这使得态空间呈指数增加。不确定原理和不可克隆原理是量子通信、量子计算和量子互联网的基石。

 

他以纠缠方面的实验和理论工作而闻名,最著名的是多粒子纠缠态的实现、量子隐形传态、量子通信和密码学、光子量子计算以及从中子到富勒烯的物质波干涉测量,后者研究退相干和量子-经典转变的细节。

 

塞林格曾说,大约从20世纪70年代开始,人们开始在实验上深入探索量子世界,思考这个世界是否真的如此奇妙。

 

“当时并不是为了应用而进行实验,新生的婴儿又能做什么呢?所以,我们之中的一些人在20世纪70年代和80年代早期所做的工作并没有什么实际用处,而后来我们却收获了惊喜。这是我生命中最大的惊喜之一,我确信这样的事情还会再发生。” 他说。

 

1997年,他和同事首次完成了量子隐形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。量子隐形传态是从一个粒子向另一个粒子远距离传递未知量子态的方式,这一过程不需要传递粒子本身。潘建伟教授也是这一个实验的重要参与者之一。

 

量子隐形传态妙就妙在:你并不测量要传输的初态,你仅仅只是利用了纠缠。借助量子纠缠,我们可以将未知的量子态传输到遥远的地点。

 

在最初的实验中,塞林格组所实现的传输距离很短。后来,他们又完成了跨越多瑙河的量子隐形传态实验,以及非洲加那利群岛之间的远距离纠缠和隐形传态实验。岛屿之间的距离是百公里左右,在很长时间内这都是纠缠分发的最长纪录。现在,这个距离被我们熟知的 “墨子号” 量子卫星超过了。

 

塞林格的主要研究兴趣是量子力学的基础实验,重点是量子纠缠、量子干涉测量和量子信息。他特别关注的是新的纠缠态及其在量子通信和量子计算中的应用。 塞林格目前的兴趣还包括很高维度和复杂性的纠缠轨道角动量态,实现爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的动量和位置纠缠态,实现基于不可区分性和远距离量子通信的新型量子成像的想法。

 

和团队成员一起,塞林格开发了纠缠光子的源,观察了三光子和四光子纠缠以及高维量子态的纠缠。这些方法曾经并且正在被应用于量子通信任务的实现,例如超密集编码、基于纠缠的量子密码学、量子隐形传态和纠缠交换、纠缠态的隐形传态。

 

此类实验还包括线性光学单向量子计算、各种光子量子门的实现和量子克隆。塞林格组进行的基本实验包括无相互作用测量、非局域量子擦除器、快速量子数发生器以及通过辐射压力对微镜进行自冷却。

 

塞林格介绍说,与此同时,他正在从事量子力学的测试,例如关闭各种漏洞的贝尔不等式实验、Legett 不等式和 GHZ 矛盾的测试以及具有三维状态的 Kochen-Specker 范式的实现。

 

塞林格曾多次受邀到麻省理工学院、慕尼黑工业大学、柏林洪堡大学、牛津大学等地访问。

 

参考文献:

https://www.ae-info.org/attach/User/Aspect_Alain/CV/CV%20Alain%20Aspect%20eng%20long%202012%2003%2017.pdfhttps://en.wikipedia.org/wiki/Alain_Aspecthttps://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement#cite_note-hanson-30Viewpoint: Closing the Door on Einstein and Bohr’s Quantum Debate,https://physics.aps.org/articles/v8/123B.Hensen et al., “Loophole-free BellInequality Violation Using Electron Spins Separated by 1.3 Kilometres,” Nature526, 682 (2015).M. Giustina et al., “Significant-Loophole-FreeTest of Bell's Theorem with Entangled Photons,” Phys. Rev. Lett. 115, 250401(2015).L. K. Shalm et al., “Strong Loophole-Free Testof Local Realism,” Phys. Rev. Lett. 115, 250402 (2015). The BIGBell Test Collaboration (9 May 2018). "Challenging local realism with human choices". Nature. 557 (7704): 212–216. arXiv:1805.04431. doi:10.1038/s41586-018-0085-3.PMID 29743691.

 



推荐 3