跨越空间、超越光速，量子纠缠究竟有多神秘

□文/席金合

2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面的贡献。这3位科学家很早就开展了量子物理实验研究，为开辟量子技术新时代奠定了基础。

什么是量子？什么又是量子纠缠？它们对我们的生活有什么用？

量子时代加速到来，人类正在经历一场全面的革新。在这场革新中，中国科学家也正扮演着越来越重要的角色。2022年诺贝尔物理学奖研究成果虽无中国科学家之名，却凝结着中国科学家的心血和汗水。

量子纠缠艺术设想图

量子纠缠颠覆传统世界

简单地说，量子就是在不改变原本属性前提下的最小体积物质；所谓量子纠缠，好比微观世界中的“心灵感应”现象。1935年，爱因斯坦等人提出的EPR悖论认为，两个曾经相互作用过的粒子，无论相距多远，始终遥相“呼应”，共同保持互动状态。比如两个处于“纠缠态”但自旋方向相反的电子，即使它们分别位于银河系两侧，只要一个自旋方向发生改变，另一个也同时随之改变。

神奇吧！两个电子似乎以某种方式极快地“互通消息”，达成默契，而且“互通消息”的速度还远大于光速。只有所谓的“灵异事件”才会出现这种情况，这明显违背相对论中光速不可超越的观点，所以称其为悖论。其实，这是因为当时科学的局限性，相互纠缠的粒子之间存在着让人无法知道的相互作用或信息传递，也就是隐变量。

20世纪60年代，爱尔兰实验物理学家贝尔提出一个不等式可用来验证量子纠缠。十几年后，约翰·克劳泽率先完成了检验这个不等式的实验。又过了很长时间，阿兰·阿斯佩利用两个光子完成更为精确和几乎无漏洞的不等式实验验证。随后，安东·蔡林格也完成了更多纠缠粒子的无漏洞不等式验证。所有实验结果均表明，神奇的量子纠缠确实存在！

科技史上又一次伟大的革命

对普通人来说，量子方面的问题高深莫测，但这门建立于20世纪初的前沿学科，确实开启了人类科学史上又一次伟大的革命。

在保障信息安全、提高运算速度、增强测量精度方面，量子科技突破了经典技术的瓶颈，成为信息、能源、材料和生命等领域重大技术创新的源泉，为保障国家安全和支撑国民经济高质量发展提供了核心战略动力。

“墨子号”量子科学实验卫星与地面站建立天地链路

“墨子号”的这张示意图出现在诺贝尔奖官方PPT中

量子纠缠反映的是跨越空间的相互依赖性，正是这一点“缝合”了空间和时间这“两张皮”，形成了一张“时空”网络，使我们可以谈论“时空”的一部分与另一部分的关系。不过，这种设想法仍是一幅具有高度推测性的理论图景。

时空是爱因斯坦广义相对论所描绘的四维结构，该理论表示它有特定的形状。正是时空的形状定义了引力：质量让时空发生弯曲，弯曲的时空导致的物体运动，使引力得以显现。长期以来，量子力学与广义相对论所支持的引力理论如何协调一致，一直是个谜团，而量子纠缠或许正是解决这一谜团的关键。

目前，量子纠缠的这种诡异特性已被科学家巧妙运用于远程通信技术。把两个相关联的粒子分开，让一个携带着所要发送的信息，那么远在千里之外的另一个粒子会出现同样的反应；根据这种反应，就可知道对方所发的是什么信息。我国“墨子号”量子科学实验卫星就基于这种原理，并率先在国际上实现了星地量子通信。

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一分钟速读2022年诺贝尔化学奖

点击化学和生物正交化学方面的研究成果，荣获2022年诺贝尔化学奖。此成果可用于治疗癌症、制造材料和阐明细胞工作原理等，特别是用于探索细胞和跟踪生物过程。这一成果不是为了应对过于复杂的问题，而是用简易的方法处理问题。

长期以来，人们总想构建越来越复杂的分子，比如在药物研发方面，但这通常受到耗费时间长和成本高昂的限制。而利用点击化学和生物正交化学的原理，能简单、快速、可靠、重复地将两个分子像车上的安全带卡入锁扣一样，紧紧地结合在一起，形成一个新分子，用以开发癌症治疗药物。简单地说，就是让药物分子和靶向（导向）分子“咬合”在一起，形成一个“生物导弹”，在人体内专找癌细胞进行毁灭性攻击，而不伤及其他正常细胞。

科学研究事业不分国界

中国科学界也一直密切关注这一获奖研究成果，因为在这项殊荣的背后，也凝结着中国科学家的心血和汗水。中国科学院院士潘建伟就曾作为安东·蔡林格的学生，参与了这项研究工作，为此作出重要贡献。诺贝尔奖委员会在祝词中就提到，安东·蔡林格的4篇量子通信实验方面的论文，有2篇的第一作者是潘建伟，另2篇的第二作者也是他。

可见，对于这一获奖成果，中国科学家功不可没。说到这里，你可能会问：潘建伟为什么没有在获奖人员之列呢？有人认为，潘建伟的工作更多地倾向于应用，比起应用科学，诺贝尔奖更“偏爱”基础科学。也有人认为，从科学研究跨国合作的角度看，许多科研成果并非哪一个人的功劳，都是在前人努力的基础上，通过多方面长期合作而取得的，应为人类共同所有。所以，个人荣誉并不重要，只要我们能够为之、并且成果为我们所用，才是最重要的。量子物理学实验要经历无数次失败才能成功，是一个漫长而艰辛的过程，需要长时间的磨炼，也需要无数科研人员的参与。这次诺贝尔奖委员会还提到了另外3篇量子通信论文，它们都是中国科学家目前正在独立研究的领域，已经初见成效。

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一分钟速读2022年诺贝尔生理学或医学奖

我们从何而来？与史前人类有何种关系？智人和其他古人类的区别是什么？2022年诺贝尔生理学或医学奖的研究成果——对古人类基因组测序，回答了这些问题。

获奖科学家先是成功测出现代人已灭绝的近亲——尼安德特人的基因组序列，并通过对比分析得知，尼安德特人和智人的最新共同祖先生活在80万年前；又对一块4万年前的碎骨上的DNA进行测序，再与尼安德特人和现代人类的DNA比对，发现是独一无二的；由此，发现了一种以前不为人知的古人类——丹尼索瓦人，然后经过进一步研究得知，这支古人类种群和智人之间发生过基因转移。

这一重大发现，开启了对人类进化史的新认识。当智人迁出非洲时，至少有两支现在已灭绝的原始人种居住在欧亚大陆。其中，尼安德特人居住在欧亚大陆西部，而丹尼索瓦人居住在东部。当智人扩张和迁徙时，他们不仅遇到了尼安德特人，而且遇到了丹尼索瓦人。

中国量子科技成就卓著

中国高度重视发展量子信息技术，并突破了一系列重要难题和关键核心技术，取得了一批具有国际影响力的研究成果。

量子通信的目标是建立全球广域量子通信体系，利用光纤构建城域量子通信网，通过中继器沟通城市之间的联络，借助卫星平台中转实现遥远区域间的信号交流。目前，我国建成了国际上首条远程光纤量子保密通信骨干网——京沪干线，在金融、政务、电力等领域开展保密通信技术验证与应用示范。同时，前面提到的“墨子号”是世界上第一颗量子科学实验卫星，并首次实现洲际量子通信，充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性，成果居于国际领先地位。

“九章”量子计算机模型 供图/人民视觉

当前，量子计算研究也已实现“量子优越性”，也就是量子计算机的计算能力超越传统超级计算机。2020年，潘建伟团队研制的量子计算原型机——“九章”，继美国谷歌“悬铃木”量子计算机之后，把全球量子计算的前沿研究推向新的高度。这是我国首次实现“量子优越性”的里程碑式突破，与发达国家处于同一水平。此外，在量子精密测量方面，我国与发达国家的差距也在迅速缩小，有的研究成果与国际最高水平相当。