2022年诺贝尔物理学奖颁给量子技术，美法奥三国科学家分享奖项，开发实验工具为量子时代奠定基础_

北京时间10月4日下午5点多，2022年诺贝尔物理学奖评选结果揭晓。今年的奖项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·克劳瑟（John Clauser）和奥地利量子论物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）。

诺奖官方表示，阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟和安东·塞林格通过开创性的实验，展示了研究和控制纠缠态粒子的潜力。一堆相互纠缠的粒子，哪怕它们相隔很远的距离，无法相互影响，也能决定对方会发生的变化。三位获奖者对相关实验工具的开发，为量子技术的新时代奠定了基础。

据悉，阿斯佩、克劳瑟和塞林格分别利用纠缠的量子态进行了突破性实验，他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路，让不可思议的量子力学效应找到了实际的应用。并造就了一个庞大的研究领域，包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。促成这一发展的关键因素之一在于，量子力学允许两个或多个粒子以所谓的纠缠状态存在。发生在纠缠对中的一个粒子上的事情，决定了发生在另一个粒子上的事情。

20世纪60年代，约翰·贝尔提出了以他名字命名的数学不等式。这说明，如果存在隐藏变量，大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而，量子力学预言，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式更强的相关性。

克劳瑟发展了约翰·贝尔的想法，并设计了一个实际的实验。使用该实验进行测量时，他通过明确违反贝尔不等式的实验结果，来支持了量子力学。这意味着量子力学不能被一个使用隐藏变量的理论所取代。在克劳瑟的实验之后，仍然存在一些漏洞。阿斯佩发展了这个实验，用它来弥补一个重要的漏洞。他在纠缠对离开其源头后，切换了测量设置，因此当它们被发射时，之前存在的设置不会影响其结果。利用系列实验和巧妙的工具设置，塞林格开始使用纠缠的量子态，其研究小组已经证明了一种叫做量子传送的现象，这使得粒子间的量子态转移成为可能。

诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔巴克（Anders Irbäck）说：“我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作具有重要意义，甚至超越了有关量子力学解释的基本问题。”

关于为何选择这三位候选人来代表这个发展迅速、众星云集、同时也非常引人关注的领域，诺奖委员会表示他们在筛选的时候，希望可以奖励那些做出最基础贡献的人。值得注意的是，三位教授已经在2010年获得沃尔夫物理学奖。以下，为读者介绍三位得主的具体成就。

约翰·克劳瑟（John Clauser ）：首次证明光子的明确粒子特征

图 | 约翰·F·克劳瑟（John F. Clauser）

约翰·F·克劳瑟（John F. Clauser），美国理论和实验物理学家。他以对量子力学基础的贡献而闻名，特别是克劳塞-霍恩-西蒙尼-霍尔特不等式（CHSH）。早年，其本硕博分别毕业于加州理工学院和哥伦比亚大学。自1969年起，他主要在美国劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、以及加州大学伯克利分校工作。

1972年，克劳瑟与图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作，进行了有关CHSH-贝尔定理的第一次实验，这是首个观察到违反了贝尔不等式的实验。贝尔不等式，由已故的约翰·贝尔（John Bell）于1964年提出，它提供了一种方法来区分量子力学的预测、以及大量替代理论的预测，故也被称为“局域隐变量理论”。此类测试需要对沿着相反方向分开的光子进行测试，以寻找它们的某些物理特性之间的相关性。但是难题在于，要导出贝尔不等式需要假设“局部性”，此外信息不能以超过光速的速度移动。1974 年，在与迈克尔·霍恩（Michael Horne）合作的过程中，他证明了贝尔定理的普遍适用。1974年，克劳瑟首次观察到亚泊松光子统计，借此首次证明了光子的明确粒子特征。1976年，他又对CHSH-Bell理论假说进行了全球范围内的第二次实验测试。

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）：为纠缠量子态的实验控制开辟了道路

图 | 阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），法国物理学家，因在量子纠缠方面的实验工作而闻名。他的工作为纠缠量子态的实验控制开辟了道路，也成为了量子信息处理的基本要素。阿斯佩因对贝尔不等式的实验测试而广受认可，该测试于1981-1982年在法国光学理论应用学院（Institut d'Optique）进行，这项工作被认为是建立量子信息科学基础的一部分。

阿斯佩的主要贡献是提出了一个可行的实验方案，通过在光子穿过设备时，快速改变偏振器的方向来进行这些测量。他在实验中测量的光子来自单个原子，并形成了量子力学中所谓的“纠缠”状态。观察一个光子的状态，即可对另一个光子状态的测量结果进行预测，这本身就是一个量子比特（Qubit）的案例。

同时，一个量子系统可能存在于两种状态，并对应到两个极化状态。阿斯佩的实验引起了极大关注，并引发了大量关于量子纠缠的理论和实验工作。后续，人们探索了实现量子计算的算法的新途径，并在实验室中生成光子、冷原子、冷俘获离子的纠缠态、以及后来的固态系统。后来，这项工作被认为是建立量子信息科学基础的一部分。

此外，阿斯佩还首次通过实验证明了单光子的波粒二象性。天文学家在1998年发现的小行星33163 Alainaspect，正是以阿斯佩的名字命名，以纪念他的成就。

安东·塞林格（Anton Zeilinger）：对多光子纠缠及量子传输做出开创性贡献

图 | 安东·塞林格（Anton Zeilinger）

安东·塞林格（Anton Zeilinger）是奥地利籍物理学家，现任奥地利科学院院长。其论文共被引用94000余次，并于2014年进入汤森路透“高引用科学家”榜单。

塞林格长期从事量子物理和量子信息研究，是国际上量子物理基础检验和量子信息领域的先驱和重要开拓者。无论是理论还是实验，塞林格在量子物理基础检验方面建立了始创性的功绩。他曾与合作者在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验，实现了无局域性漏洞、无探测效率漏洞的量子力学非定域性检验，提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态（GHZ态），这在量子力学基础检验和量子信息中起着关键作用。

基于量子物理的基础检验，塞林格与同事开发出了多光子干涉度量学，进一步把它们广泛用于量子信息处理，具体包括量子密集编码、远距离量子通信、光量子计算等领域。其中，他在1997年首次实现量子隐形传态的工作，被公认为是量子信息实验研究的“开山之作”。

从1983年开始，塞林格一直与中国科学院、中国工程院等机构定期交流与合作。通过“墨子号”量子科学实验卫星，塞林格团队以合作形式参与到中国科学院主导的洲际量子通信实验。而且，还在全球第一次使北京-维也纳两地的量子保密通信成为可能，该成果入选了美国物理学会评选的“2018年度国际物理学十大进展”。另据悉，塞林格还受聘为中国科学技术大学、南京大学、西安交通大学的名誉教授。值得注意的是，中科院院士潘建伟早年在奥地利留学时的导师，正是塞林格。

诺奖委员会直接在现场与塞林格进行了连线，他对获得诺奖表示很惊喜，但他的声音听上去非常平静。作为几年来的获奖热门之一，他也许已经做好了准备。他的这次获奖，与他的学生潘建伟在卫星尺度上证明了他所发明的技术密切相关。

在媒体采访中，塞林格感谢了所有让只存在于理论的实验变成现实的人。他希望他的获奖，可以鼓励更多年轻人去发现量子力学的乐趣，从而进入这个领域。他同时表示，我们对时间和空间的理解都还有很多的未知。由于量子力学是一门我们经常听到、但真正理解起来却十分困难的科学，现场记者问了一系列基础性问题，塞林格也都耐心地进行了讲解。

关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”

1895 年 11 月 27 日，诺贝尔在其遗嘱中写道，诺贝尔物理学奖应颁发给“在物理学界做出了最杰出发明或发现的人”。

因此，在诺贝尔奖体系中，会有一部分颁布给那些在物理学领域有杰出贡献的科研工作者，这就是诺贝尔物理学奖。

历届获奖人中不乏改变物理世界的牛人，例如从理论上解释光电效应的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、在原子理论中发现新数学表述的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），还有共同提出宇称不守恒理论的李政道和杨振宁、发展用激光冷却和捕获原子方法的朱棣文等。

第一届诺贝尔物理学奖的颁布是在 1901 年。接下来，就让我们了解一下从 1901 年到 2021 年关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”。

◆ 1901 年 ~ 2021 年最受欢迎的诺贝尔物理奖得主

阿尔伯特·爱因斯坦

（Albert Einstein）

生于：1879 年 3 月 14 日，德国乌尔姆

卒于：1955 年 4 月 18 日，美国新泽西州普林斯顿

获奖时的工作地：凯撒-威尔海姆研究所物理研究院（现马克斯·普朗克研究所），德国柏林

获奖评语：表彰他“对理论物理学做出的贡献，尤其是光电效应定律的发现”

研究领域：理论物理

获奖情况：1921年单独获奖

作为一名传奇科学家，阿尔伯特∙爱因斯坦只获得了 1921 年诺贝尔物理学奖，获奖原因或许也是他众多理论中相对“最小”的一个。而他在时空、引力理论等方面的诸多成就，在当时甚至如今都显得“过于超前”，这可能也是诺贝尔奖只就“解释光电效应”给他颁奖的原因。

爱因斯坦在慕尼黑长大，在那里，他的父亲成立了一家电机工程公司。从苏黎世联邦理工学院毕业后，爱因斯坦进入了瑞士伯尔尼专利局工作。在此期间，他发表了一系列在物理学领域具有前瞻性的文章。

科学成就：当时科学家发现，将金属电极暴露于光线下时，有助于电极间产生电火花。要产生这种“光电效应”，光必须高于某特定频率。然而，根据当时的物理理论，光的强度才是重要因素。1905 年，爱因斯坦发表了几篇划时代的论文，在其中的一篇中，爱因斯坦提出光是由光量子组成的——光量子的能量与其频率有关。只有当光量子的频率达到一定阈值时才能从金属中激发出电子。

尼尔斯·亨里克·达维德·玻尔

（Niels Henrik David Bohr）

生于：1885 年 10 月 7 日，丹麦哥本哈根

卒于：1962 年 11 月 18 日，丹麦哥本哈根

获奖时的工作地：哥本哈根大学，丹麦

获奖评语：表彰他“对原子结构及原子辐射的研究”

研究领域：理论核物理

获奖情况：1922 年单独获奖

科学成就：19 世纪末出现了关于电子和原子辐射的一系列研究，科学家们建立了不同的原子结构模型。1913 年，玻尔根据量子理论提出了氢原子的结构模型。他认为，原子能量如果要发生改变，只能在不同定态间以跃迁的方式进行。电子会按照特定轨道围绕原子核运动。当电子跃迁到低能级轨道时，就会辐射出光子。玻尔的理论解释了为什么原子只有在特定波长照射下才能发射光子。

玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里

（Marie Curie, née Sklodowska）

生于：1867 年 11 月 7 日，俄罗斯帝国（现波兰）华沙

卒于：1934 年 7 月 4 日，法国萨朗什

获奖评语：表彰他们“研究贝克勒尔发现的电离辐射现象时的卓越成就”

研究领域：核物理

获奖情况：1903 年与其他二人共同获奖

玛丽∙斯克沃多夫斯卡出生于波兰华沙一个非常注重教育的教师之家。为了继续她的学业，她移居法国并在那里遇到了皮埃尔∙居里。后来，他成为了她的丈夫，也成为了她在放射领域中的研究伙伴。居里夫妇于 1903 年共同获得了诺贝尔物理学奖。不幸的是，居里夫人在 1906 年失去了她的丈夫，但她没有停下他们的研究工作，并再次于 1911 年获得诺贝尔奖。

科学成就：受 1896 年贝克勒尔发现的电离辐射现象的激励，玛丽和皮埃尔决定进一步研究这一现象。他们为了获得放射信号，对很多物质和元素进行了实验。他们发现沥青铀矿比纯铀的放射性更强，因此，其中应该含有其他放射性物质。从沥青铀矿中他们提取出了两种以前未知的元素：钋和镭，它们的放射性都强于铀。

在首次发现放射性元素钋和镭以后，居里夫人对这两种元素的性质做了更深入的研究。1910 年她成功地分离出镭，从而证明了镭的存在，从此业界再无质疑之声。她还对镭及其化合物的性质做了报道。放射性物质作为放射源，在科学实验领域和癌症治疗中变得越来越重要。

詹姆斯·查德威克

（James Chadwick）

生于：1891 年 10 月 20 日，英国曼彻斯特

卒于：1974 年 7 月 24 日，英国剑桥

获奖时的工作地：利物浦大学，英国

获奖评语：表彰他“发现了中子”

研究领域：核物理

获奖情况：1935 年单独获奖

科学成就：1930 年当海波特·贝克和瓦尔特·博特用阿尔法粒子（氦原子核）轰击铍核时，观察到了高能的穿透性的辐射现象。当时一个假说认为，这是一个具有高能量的电磁辐射。然而 1932 年，詹姆斯·查德威克证明阿尔法粒子中含有一个和质子质量相当的中性粒子。更早时期，欧内斯特·卢瑟福也提出了这种粒子的存在，而该粒子就是现在已经被证实的中子。

约瑟夫·约翰·汤姆森

（Joseph John Thomson）

生于：1856 年 12 月 18 日，英国曼彻斯特附近的奇塔姆山

卒于：1940 年 8 月 30 日，英国剑桥

获奖时的工作地：剑桥大学，英国

获奖评语：表彰他“在气体导电方面的理论和实验研究”

研究领域：原子物理

获奖情况：1906 年单独获奖

科学成就：1830 年首次出现了一种观点，认为电是通过原子中存在的微粒进行传导。1890 年，约瑟夫·汤姆森爵士利用气体环境下带电粒子成功测定了电子质量。1897 年，他证明了阴极射线（将两片金属电极置于低压气体环境的玻璃管中，并在其上加载电压，阴极释放出的电子就会像射线一样飞往阳极）含有电子，从而带有电荷。他同时指出电子是原子的一部分。

埃尔温·薛定谔

（Erwin Schrödinger）

生于：1887 年 8 月 12 日，奥地利维也纳

卒于：1961 年 1 月 4 日，奥地利维也纳

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖评语：表彰他“发现了卓有成效的原子理论新形式”

研究领域：量子力学

获奖情况：1933 年与另一人共同获奖

科学成就：在玻尔的原子理论中，当电子从一个原子轨道跃迁到另一轨道时，就会吸收或发射特定波长的光。这一理论能够很好地描述氢原子的光谱特征。但是要想描述更复杂的原子和分子，则需要进行修正。以物质（比如电子）同时具有波动性和粒子性为前提，1926 年薛定谔给出了著名的薛定谔方程，从而能够正确描述波函数的量子行为。他对量子叠加态的阐述也是大家熟悉的“薛定谔的猫”思想实验的来源。

罗伯特·安德鲁·密立根

（Robert Andrews Millikan）

生于：1868 年 3 月 22 日，美国伊利诺伊州莫里森

卒于：1953 年 12 月 19 日，美国加利福尼亚州圣马利诺

获奖时的工作地：加利福尼亚理工学院，帕萨迪纳，美国加州

获奖评语：表彰他“在基本电荷和光电效应中做的工作”

研究领域：电磁效应，粒子物理

获奖情况：1923 年单独获奖

科学成就：19 世纪 90 年代，电子理论的传播使得电子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精确测量了基本电荷量的值。他通过平衡重力与电场力，将油滴悬浮于两片金属电极之间。通过对许多油滴进行实验后，密立根证明了它们的电荷总是一个确定值的倍数，因此认定这个确定值就是电荷值。

维尔纳·卡尔·海森堡

（Werner Karl Heisenberg）

生于：1901 年 12 月 5 日，德国维尔茨堡

卒于：1976 年 2 月 1 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：莱比锡大学，德国

获奖评语：表彰他“创立了量子力学以及由此促进了氢的同素异形体的发现”

研究领域：量子物理

获奖情况：1932 年单独获奖

科学成就：1925 年，维尔纳·海森堡基于矩阵运算给出了一种量子理论的数学表述，称为矩阵力学，后被薛定谔证明与波动描述在数学上是等价的。1927 年，海森堡提出了著名的“不确定性原理”，即一个运动粒子的位置和速度不能同时被准确测量，其不确定度存在下限。

威廉·康拉德·伦琴

（Wilhelm Conrad Röntgen）

生于：1845 年 3 月 27 日，普鲁士伦内普（现德国雷姆沙伊德）

卒于：1923 年 2 月 10 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：慕尼黑大学，德国

获奖评语：表彰其“发现了意义非凡的射线，并在其中做出了杰出工作，这种新射线定名为伦琴射线”

研究领域：原子物理，X射线

获奖情况：1901 年单独获奖

伦琴生于德国伦内普，长于荷兰。他于苏黎世联邦理工学院毕业并在那里得到了物理学博士学位。为了继续他的研究，伦琴先后在斯特拉斯堡、吉森、维尔茨堡的大学工作。在维尔茨堡，他获得了诺贝尔奖，这也是首届的诺贝尔物理学奖。1900 年，伦琴到了慕尼黑大学并在那里度过了他的余生。

值得一提的是，尽管 X 射线为他带来了诺贝尔奖，但他把奖金全部捐给了维尔茨堡大学，也放弃了其专利权，最终在贫困中死于癌症。

科学成就：1895 年，伦琴把电极加载到两个置于真空玻璃管中的金属片上，用于研究阴极辐射。虽然装置被覆盖住，他还是观察到当感光板靠近时，其上有微弱的荧光出现。通过进一步试验，他证实了该现象是一种尚未为人所知的具有穿透性的射线产生的。后来 X 射线成为了物理研究和人体检查中的有力工具。

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克

（Max Karl Ernst Ludwig Planck）

生于：1858 年 4 月 23 日，石勒苏益格基尔（现属德国）

卒于：1947 年 10 月 4 日，德国哥廷根

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖理由：表彰他“因发现能量量子而对物理学的发展做出杰出贡献”

研究领域：量子力学

获奖情况：1981 年单独获奖

科学成就：当一个黑体被加热时，照射到黑体表面的电磁辐射就会被黑体吸收并转化为热辐射，其光谱特征仅与黑体温度有关而与其材质无关。然而用当时已知的物理定律计算热辐射会得出无意义的结果：在高频区的热辐射能量会趋于无穷大。马克斯∙普朗克在 1900 年通过引入能量的量子化理论解决了这个问题。也即，任意电磁辐射的能量大小都跟一个常量有关，后人将这个常量命名为普朗克常数。

◆ 诺贝尔物理学奖的数量

从 1901 年至 2021 年，共颁发了 115 届诺贝尔物理学奖。其中，由于战争原因有六年没有颁发，分别是 1916、1931、1934、1940、1941 和 1942 年。

独享和共享的诺贝尔物理学奖：

47 次由一位获奖者独享；

32 次由两位获奖者共享；

36 次由三位获奖者共享。

为什么会出现这样的情况？我们可以在诺贝尔委员会章程中找到答案：“若有两个被提名者的工作都同样出色难分伯仲，那奖金就可以由他俩平分。如果获奖成果是由两到三人共同完成的，那奖金就应授予项目共同完成人。但诺奖不能由超过三个人共享。”

◆ 诺贝尔物理学奖得奖人数

图丨1956、1972年诺贝尔物理学奖得主约翰∙巴丁

1901~2021 年间，诺贝尔物理学奖共授予了 219 人次。其中，约翰∙巴丁（John Bardeen）是至今唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人，因此实际上有 218 人获得过诺贝尔物理学奖。

◆ 最年轻的物理学奖获得者

迄今为止，最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是当时年仅 25 岁的劳伦斯∙布拉格（Lawrence Bragg）。他于 1915 年和他的父亲一同获得该奖项。

◆ 女性获奖者

图丨1963 年诺贝尔物理学奖得主玛丽亚·格佩特·梅耶

在所有诺贝尔物理学奖获得者中，仅有四名为女性，她们是：

1903 年的物理奖得主玛丽·居里（Marie Curie ）（大名鼎鼎的居里夫人，她还于 1911 年获得了诺贝尔化学奖），1963 年的物理奖得主玛丽亚·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer ），2018 年的物理奖得主唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），以及 2020 年的物理奖得主安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）。

◆ 全家一起“牛”的获奖者

夫妻&子女档：