記者 | 錢伯彥

法國科學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國科學家約翰·弗朗西斯·克勞澤（John F. Clauser）以及奧地利科學家安東·塞林格（Anton Zeilinger）共同獲得了本年度諾貝爾物理學獎。

這三位量子信息科學領域的專家因通過光子糾纏實驗確定貝爾不等式在量子世界中不成立，并開創量子信息科學而獲獎。

愛因斯坦與玻爾的斗氣

一切的開始源于愛因斯坦那句著名的“上帝不擲骰子”。

在20世紀初葉云集了幾乎所有知名物理學家的索爾維會議上，以愛因斯坦為代表的傳統學派，與以玻爾為代表的哥本哈根學派就后者的量子力學展開了學術探討。

不同于皆可獲得確定性物理量的牛頓經典力學與相對論體系，量子力學的基本原理之一便是微觀系統可以由波函數，即本質上由概率構成。該微觀系統也因波函數的存在，而處于不確定之中，直至對微觀系統進行觀察后波函數瞬間坍縮并擁有宏觀世界中常見的某一確定狀態。

這一波函數的存在，也意味著微觀系統既可以根據波函數疊加，也在波函數坍縮之前擁有不確定的多個狀態。這一不確定的隨機性也被愛因斯坦視為上帝創世時不可能犯下的錯誤，即上帝不擲骰子。奧地利物理學家薛定諤（1887年—1961年）在這一基礎上也構思出了知名的思想實驗——既死又活的薛定諤的貓。

1935年，為了扳倒玻爾的量子力學，愛因斯坦更進一步構思了另一個思想實驗：EPR佯謬。

該佯謬假設某對粒子處于量子糾纏態，例如某一大粒子在理想情況下衰變為AB兩個粒子，由于角動量守恒定律的存在，兩者的自旋之和可假定為零。若將粒子的自旋這一物理量視為信息的載體，在這對粒子以相反方向離去，仍處于量子疊加態的A粒子自旋將在被觀察時波函數坍縮。而由于AB粒子處于糾纏態，因此B粒子的波函數也將在瞬間坍縮。

若這對粒子之間距離為以光年計算，則它們的信息載體事實上在某一粒子波函數坍縮的瞬間達成了超距傳輸，那么就違反了光速為宇宙最大速度的定律。

從貝爾不等式到諾貝爾獎

由于哥本哈根學派無法完美地回答愛因斯坦提出的EPR佯謬，因此假設有尚未被發現或觀測的變量存在的“隱變量理論”就登上了歷史舞臺。在實驗物理學技術尚未得到突破的1960年代以前，難以被證偽的“隱變量理論”一度成為量子力學的競爭對手。

1964年英國物理學家約翰·貝爾提出了在經典力學中成立、量子力學中不成立的貝爾不等式。

美國科學家約翰·弗朗西斯·克勞澤此后首先對貝爾不等式進行了試驗驗證。法國科學家阿蘭·阿斯佩又首次于1982年在精確意義上對EPR佯謬作出檢驗，并證明了貝爾不等式的不成立以及量子力學的正確性。

被打破的貝爾不等式不僅為兩位物理學家克勞澤和阿斯佩帶來的今年的物理學獎，也意味著愛因斯坦那個看似荒謬的EPR佯謬真實存在，唯一的問題僅在于波函數坍縮為單純概率事件，另一端的觀察者也無法判斷某粒子的物理量究竟是已坍縮狀態，還是在自己的觀察下發生坍縮。因此基于量子糾纏的超光速超距瞬時通信并不可行，通過量子糾纏通道傳遞的信息本質上為無效信息，并不違反宇宙有效信息傳遞速度上限為光速的定理。

雖然類似《三體》之中三體人通過量子糾纏實現超距通信以控制質子完成對地球侵略的橋段并不會發生，但是這并不代表著量子通信只是鏡月水花。

作為量子信息科學研究的突破者，奧地利科學家安東·塞林格于1997年在因斯布魯克和維也納完成了量子隱形傳態的試驗。與超光速信息傳輸不同，量子隱形傳態雖然使用某一量子態作為信息載體，但仍需要在AB糾纏粒子對之外的C粒子作為媒介以及經典信道（即目前廣泛使用的電磁波通信）的輔助。

塞林格在量子通信領域的突破背后，也有著其1997年所帶的博士生中國學者潘建偉的貢獻。

歸國之后的潘建偉于2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸，后于2012年在合肥建成了世界上首個規模化量子通信網絡。2016年他任首席科學家的墨子號量子科學實驗衛星成功發射，開展世界上首次衛星和地面之間的量子通信。

2019年，潘建偉領導的中科大團隊再度與其導師塞林格的維也納大學團隊合作，在國際上首次成功實現高維度量子體系的隱形傳態。該次合作也成為了本屆諾貝爾物理學獎頒獎儀式上的壓軸技術實用案例。