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2022-10-09 20:07
别急着想拿诺奖,中国的量子力学要看未来

本文来自微信公众号:观网财经 (ID:tiequanhe),作者:李泽西、袁岚峰,原文标题:《中国量子力学后发,要看将来》,题图来自:视觉中国


北京时间10月4日17:45,在瑞典首都斯德哥尔摩,瑞典皇家科学院宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser)和奥地利科学家安东·塞林格(Anton Zeilinger),以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。他们通过光子纠缠实验,确定贝尔不等式在量子世界中不成立,并开创了量子信息这一学科。


获奖得主,从左至右:阿斯佩,克劳泽、塞林格(图源:诺贝尔委员会)


近日,中国科学技术大学副研究员、风云学会会长、《量子信息简话》作者袁岚峰接受观察者网专访,就三人的研究成果,量子力学发展历程,诺贝尔奖以及目前中国人获奖数量较少现象分享了自己的看法。以下为专访实录:


观察者网:10月4日,瑞典皇家科学院宣布,三名物理学家因为在量子信息科学研究方面做出的贡献,获得2022年诺贝尔物理学奖。可否介绍一下他们所做出的研究以及其意义?


袁岚峰:他们最基本的成就是,判定究竟量子力学还是经典力学是对的:一个物理量在人们测量之前是不是必然有一个确定的状态?


在经典的世界观下,无论你测或不测一个性质,那个性质已经有个确定的状态了。经典的世界观反映在一首诗里面:“你见,或者不见我,我就在那里,不悲不喜”;这首诗很多人以为是仓央嘉措写的,其实是当代女诗人谈笑靖写的。


但是量子力学非常明确地表示,并不是这样,测量得到的结果可能是随机的。我写的《量子信息简话》里面非常详细的做了解释。量子力学的测量首先是要指定一个基组,它包括至少两个状态。待测的状态如果是基组当中的一个状态,你会得到一个确定值,即这个状态不变。


但是如果你待测的状态不是这个基组中的一个状态,而是这些状态的一个线性叠加,那就会发生一个突然的变化,它会瞬间落到基组的某一个状态上去。这就告诉我们,量子力学对于世界的预测本质上就是概率性的,同一个原因可以得到不同的结果。


我们平常会觉得,同样的原因会引来同样的结果。乍一看随机的事情,比方说掷硬币,仔细想一想就会发现结果其实是完全确定的,只不过因为掷硬币出手力度控制的不够好,所以才觉得是随机的;如果你控制的完全精确的话,那结果就是确定的。所以经典力学里的随机,都是伪随机。


但量子力学认为,世界上存在真正的随机。这就是两种截然不同的世界观。而最明显反映这种世界观的区别就在于量子纠缠现象。


量子纠缠(图源:诺贝尔委员会)


量子纠缠是 1934 年爱因斯坦和他的两个助手波多尔斯基和罗森在标题为“量子力学对世界的描述可以被认为是完备的吗?”的论文中提出来的,现在大家经常把他们的姓氏缩写为EPR。他们认为,量子力学是不完备的。他们经常问人一个问题,没有人看月亮的时候月亮是否就不存在了?他们在这篇论文中提出量子纠缠这个现象,希望以此驳倒量子力学。但是后来的实验发现量子力学是正确的,量子纠缠现象客观存在。


有很多所谓科普会将这个现象比作两只手套,一只左手、一只右手,将它们分别寄给两个离得很远的人。一人打开盒子,发现收到一只左手手套,立刻就知道另外一个人收到右手手套。这样的比喻是能够说明一些问题,但会让人误以为量子世界跟经典世界一样,“手套”在寄发前就有确定的左右之分。这就没什么奇怪的,就像开盲盒一样。


然而量子纠缠的关键在于,结果在测量之前是不确定的。


观察者网:按您的比喻,量子纠缠类似于有一箱子的手套,你随机抽两个,发给两个人,一人看到左手套,另外必然就是右手套。


袁岚峰:对,是有点像。但是,一箱子的说法还是有可能造成一个误会,就是让人以为是在描述一个统一现象。我们需要强调,量子力学并不是一个只能描述大量粒子统计性的理论,它对于单个粒子同样适用。假设只发一双手套,你可以认为手套不停的在左右状态之间来回摇摆,没有一个确定值,直到打开的一瞬间。


在诺贝尔奖主页上,对于这次的成果,他们给出了一系列漫画式的解读,其中有一个用黑白球比喻。假如你手里拿一个黑球,你就知道对方必然是个白球。实际上,你应该想象那个球本来是灰球,并不确定是黑还是白,直到观测的那一瞬间,球才取得了黑或白当中的一个状态。


诺贝尔委员会介绍中使用的“黑球白球”例子


量子纠缠实际的效果是,对于单个粒子的测量结果是不确定的,但是这两个随机数之间存在一个确定的关联。单粒子测量结果是不确定的,关联是确定的。至于这个关联是什么,很多例子说的是相反,也有很多例子说的是相同。这些关联其实都是可行的,取决于两粒子体系的初始状态,这个初始状态是实验制备出来的。你只要给定了一个量子体系的初始状态,人们在实验上就有办法把它制备出来。


观察者网:这次三个诺贝物理学奖获得者对于证明量子纠缠现象做出的具体贡献是什么?


袁岚峰:刚才讲的这些好像只是一个世界观的分析,并没有任何可观测的效应。你怎么知道盒子在打开之前,里面的状态到底是确定的还是不确定的呢?乍看起来,这个现象好像没法判断。当年爱因斯坦跟玻尔为此争了很久,而其他大部分科学家觉得这只是一个哲学之辩,不值得认真看待。


科学家大部分相信量子力学,因为它在实用层面是非常成功的。我在《量子信息简话》里就讲了,一些最基本的问题,比如说原子的稳定性、物质的硬度、导电性,都是用量子力学解释的。许多科学家认为爱因斯坦那些“老古董”只是自己想不开,大部分人不再关心量子纠缠问题了。


在1964年,北爱尔兰的物理学家约翰·贝尔(John Bell)提出:经典力学和量子力学其实是可以分辨的。他指出,你可以测量不同的结果之间的关联,每个关联是一个测得某种联合结果的概率,然后几个概率加起来减去一个概率,这个数值应该小于等于某个上限。这里面唯一的前提条件,就是所有的量在测量之前都存在确定值,即经典世界观。


然而,在量子力学下,会存在突破这个上限的状态。贝尔认为,只要把这样测量关联的实验做很多次,就会发现这些概率的组合到底小于还是大于这个上限。假如大于这个上限,就明确的告诉大家经典世界观是错的。


约翰·贝尔1964年提出分辨经典力学和量子力学的方式(图源:欧洲核子研究中心)


第一次来做这个实验的人就是这次诺贝尔物理学奖一号得主,克劳泽。他还有个合作者,叫斯图尔特·弗里德曼(Stuart Freedman)。克劳泽当时是个博士后,费里德曼是一个博士生,1972年他们第一次做成贝尔定理实验。这个弗里德曼为什么没有诺贝尔奖呢?因为他离世太早了,在2012年就突然就去世了。


他们的实验违反了贝尔不等式,证明了量子力学的正确性。但是较真的人可以说,这个实验还有种种漏洞。比如说两个探测器之间离得很近,大概只有6米,假如探测器之间以某种方式传递信号,那么就可能协同起来,故意给你一个虚假的结果。


为了避免这一问题,可以把两个探测器离得尽量的远,使得其即使以光速传递信号,也来不及作弊。这样的漏洞,第二个诺贝尔物理学奖得主阿斯佩在1982年填补了,改进了1972年的实验,所以在公众心中阿斯佩等人变得更加出名。


后来越来越多的人继续努力改进这个实验,堵上各种各样你能想到和想不到的稀奇古怪的漏洞。第三个诺贝尔物理学奖得主塞林格也做了这个实验,堵上了更多的漏洞,同时做出了一个非常有趣的应用。如果只是不停地验证贝尔不等式的违反,很多人会觉得这跟日常生活也没什么关系,这纯粹就是一个物理学理论的基础问题。


然而塞林格做了量子隐形传态(quantum teleportation),相当于科幻电影中的传送术,即把一个粒子的状态传到远处另外一个粒子上。这个就要用到量子纠缠。量子隐形传态的理论是六个理论家于1993年共同提出,塞林格的研究组在1997年第一次实验实现的。潘建伟当时是塞林格的博士生,他就是这篇论文的第二作者;在诺贝尔奖塞林格相关成果里面,几乎每一篇都有潘建伟,不是第一作者,就是第二作者。


中国科技大学常务副校长、中科院院士潘建伟(图源:新华社)


假如我们有两个纠缠的粒子,将一号粒子放在爱丽丝手里边,二号粒子放在鲍勃手里,两人离得很远。然后爱丽丝手里还有第三个粒子,不知道其状态,要将这第三个粒子的状态传给鲍勃。我们是对这个三粒子体系的整体做某些操作,结果是三号粒子的状态转移到了鲍勃手上的二号粒子身上,成功传送了这个未知的状态,而原来的三号粒子状态也变了。


这就好比一边有辆汽车,另一边有堆汽车零件,你的实验结果是把汽车的状态传了过去,让汽车零件组装成一辆汽车,但原来那辆汽车就解体了。所以这是状态的传送而不是复制,你永远都不会得到两辆相同的汽车。任何人都会感到这是一个石破天惊的成果。我在《量子信息简话》就说了,所有的量子信息技术里边最富有科幻色彩的可能就是量子隐形传态。所以这次诺贝尔奖发给塞林格的原因是,将检验量子力学基本原理以及量子隐形传态这两方面的成果都包括了进去。


观察者网:1972年的那次试验,为什么没有想到相隔6米可能会出现的潜在漏洞?


袁岚峰:万事开头难,克劳泽之前根本没有人想到要去做这个实验,或者觉得这实验就没必要做,因为大家默认量子力学肯定是对的。还有,就是这个实验真的非常难做,在他之前根本就没有人想要做这样的实验,因为也没有这样的实验装置。实际上贝尔本人提出不等式的目标是为了证明爱因斯坦是对的——贝尔也反对量子力学——只不过实验的结果说明量子力学还是对的,表明科学并不依赖于先行者本人的想法。


克劳泽和费里德曼能做出这个实验,就已经非常不容易了。他们发表之后大家才开始讨论,假如大自然铁了心要跟你作弊,那么可能有什么样作弊的方法,所以才认为有个漏洞。假如我们相信狭义相对论,相信信号传输不能超光速,那就提出改进办法,把两个探测器离得尽量远,即使以光速作弊也不可能。随着条件的改进,大家一步步把条件限制的越来越严格。到后来各种能想到想不到的所谓漏洞,科学家都在拼命去堵,跟大自然斗智斗勇。


观察者网:为什么贝尔本人没有获得过诺贝尔奖?


袁岚峰:这是个好问题。他们因为检验贝尔不等式的违反得奖,那最应该得奖的不应是贝尔吗?这是因为贝尔在1990年就去世了,享年只有62岁。如果他活的长一点,那当然最应该得奖。历史上有很多类似的事情,一个思想最初的提出者没有来得及得奖,后来实现这个思想的人获奖。


观察者网:为什么诺贝尔奖不能授予已故的人?


袁岚峰:这是他们一开始立好的规矩,否则要发的就实在太多了。贝尔的贡献绝对是诺贝尔奖级的,而且应该会超过很多诺贝尔奖获得者。


观察者网:几十年前,一人独揽诺贝尔物理学奖还是常态,但是这个情况已经30年没有出现了。这是否意味着,科研已经由一个可以一人独立完成,转变为需多人协同完成的事业?为什么?


袁岚峰:对于物理学家来说,确实是这样,已经好久没有单独发给个人,但是今年刚好有一个奖是发给个人,就是生理学和医学奖,发给了斯万特·帕博(Svante Pääbo),奖励他对于古人类DNA检测的贡献。我看到这个消息也很惊讶,确实好久没有看到有人单独获奖,可能因为他在那个领域是一个单独的奠基人。


帕博较为少见的独揽了一项诺贝尔奖(图源:诺贝尔委员会)


但是在物理学,贡献的人真的很多。如果贝尔和弗里德曼活着,他们都应该得奖,这样一来就有五个人,而诺贝尔奖一次最多只能发三个人,那把哪两人砍掉?历史上出现过该得的人太多、反而谁都发不了的情况,只有耐心的等待一些人去世,给剩下的人发,或者干脆谁都不发。


这表现出科学的进步,越来越依赖于多人的合作。以前经常发给一个人,是因为那时还处于领域刚开创的时代,一个人就能提出一个石破天惊的观点,开创一个领域;现在变得越来越困难,需要很多人合作,才能把这个领域向前推进。


观察者网:可能未来会发生越来越多类似于贝尔的经历,提出了一个事后被证明石破天惊的理论,但是需要几十年的时间验证和推进,那时候提出者已经去世去了。诺贝尔等奖项是否要考虑这个情况做一些改变?


袁岚峰:诺贝尔奖定了这个规矩,就按照这个规定执行。但这也告诉我们,一个人没得诺贝尔奖,并不意味着他的成就不够高。


比如说,霍金虽然没得诺贝尔奖,但是贡献跟大多数诺贝尔奖得主不相上下。霍金最重要的成就,就是霍金辐射,他提出黑洞会辐射能量,所以黑洞的质量是会减小的,黑洞并不是只进不出的。但是这个效应对大型黑洞非常非常的微弱,越大的黑洞辐射得越慢,微小的黑洞会迅速蒸发掉,大型的黑洞蒸发的时间却比宇宙的年龄都长得多。我们现在观察到的大型黑洞的霍金辐射都非常小,没法得到可观测的证据。


《星际穿越》中的黑洞效果图


所以霍金虽然在世的时候非常出名,霍金辐射也是非常了不起的一个成果,但是得不到诺贝尔奖,因为实验上没法证明。如果哪一天“一不小心”,居然有一个实验证据证明霍金辐射,那人们肯定会把霍金翻出来再纪念一番,但是他还是没法得到诺贝尔奖。所以这告诉我们,奖项只是对于一个人的事后追认,我们不能把它看得太重要。


观察者网:考虑到近年我国在量子力学领域的突飞猛进,我国的科学家是否也具有了获得诺贝尔物理学奖的实力?


袁岚峰诺贝尔奖的颁奖是有先后顺序的,要先发给这前面奠定基础的人,后面才能发给做了后来的实验,把成果推向新的高度的人。


在这次诺贝尔奖的成果介绍里边提到了中国科学家的贡献,比如介绍我国的墨子号实现了卫星和地面之间的量子保密通信,也实现了地面上相距1200公里的量子隐形传态。后者是今年的成果,墨子号向两个相距1200公里的地面站(青海德令哈站和云南丽江站)发射一对对纠缠的光子,它们以此实现了隐形传态。


可想而知,随着将来我们类似的成果越做越多,比如说铺设了一个全球的量子通信网络,就有可能得奖了。但是,作为一个历史的追认,诺贝尔奖委员会肯定要先发给前面最初开创领域的人。所以我们继续做下去,将来得奖也是完全有可能的。


观察者网:自新中国成立以来,只有屈指可数的几名中国籍科学家获得过诺贝尔奖。中国科学家还需要等待多久,才能在这个世界顶尖的平台上获得更广泛的认可?


袁岚峰:很多人对诺贝尔奖的态度是两个极端。一些认为中国人老是得不到诺尔奖,中国人太“渣渣”了。另一些认为诺贝尔奖完全是“政治操作”的,只发给西方人。


我认为人们应该耐心一点。首先,认为诺贝尔文学奖、和平奖这些东西的政治因素太重,我们“当个笑话”来看,是完全没问题的。但是诺贝尔自然科学奖含金量还是非常高的。我们不能说没得诺贝尔奖的水平就一定不高,或者说得到诺贝尔奖的就一定很高,因为历史上也有发错的时候,但是至少绝大部分得到诺贝尔奖自然科学奖的水平确实非常高,确实对人类做出很大贡献。


所以我认为,不要吃不到葡萄,就说葡萄酸,说不屑于跟他们玩了。大家的心态应该是,这个葡萄是甜的,而且我们肯定是能吃到的,要有耐心。美国、英国、德国、日本等得那么多诺贝尔奖的科技大国,最主要的原因就是他们科研投入多;想想我们几十年前在干啥?诺贝尔奖一般颁的都是几十年前那种得到广泛验证的成果。


这次获奖的几个人实际上都早已退休了,塞林格自己说他在这个领域最重要的实验其实是在 20 多年前做的,比如1997年的隐形传态。先要做出这样量级的成果,然后耐心地等待,锻炼好身体,等他们颁奖,这个是正道。


而我们国家真正投入巨大资金去做基础研究的时间其实没多久。2015年屠呦呦得奖是在非常特殊的条件下。当时打越南战争的时候,美国老是遇到疟疾,就投入巨资来研究对抗疟疾;而中国也是,因为中国要帮助越南,中国也有很多人前往越南,也有很多人得疟疾。屠呦呦在这里边发现青蒿素可以治疗疟疾,而且是个特效药。但是这属于“碰上”的,并不是一个常规的研究;而我们现在常规的研究,都还处在一个刚刚开始有巨大的投入,干了没多久的状态。


现在有很多领域,每当有人得诺贝尔奖,这个领域都会有人出来说,中国其实相当先进。例如对去年和今年的化学奖,都有中国科学院上海有机化学研究所的专家说中国在不对称催化和点击化学方面相当先进,有很多领先的成果。现在的普遍现象就是,中国还比较缺乏完全原创的概念,但是一旦别人提出一个领域,中国科学家就冲过去,做出很多成果。


中国原创的概念也在逐渐多起来,如在化学领域我就介绍过唐本忠院士的“聚集诱导发光”和包信和院士的“纳米限域催化”。


诸如“纳米限域催化”的原创概念,标志中国的科研力量逐渐成熟


这一方面说明我们的科研实力是相当雄厚的,资金、投入确实有很多;在研发投入上,我们仅次于美国。另一方面,我们还需要时间沉淀,才能产生更多的从零到一的完全原创成果。需要有耐心,几十年之后,我相信肯定会出现一个中国科学家获得诺贝尔奖的高峰。


本文来自微信公众号:观网财经 (ID:tiequanhe),作者:李泽西、袁岚峰

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