2022年10月4日，瑞典皇家科學院決定將2022年的諾貝爾物理學獎授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國物理學家約翰·克勞澤（John F Clauser）和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們?yōu)榧m纏光子實驗、證明貝爾不等式不成立和開創(chuàng)性的量子信息科學所作出的貢獻。在獲諾貝爾物理學獎之前，三位科學家曾在2010年一起因對非局域量子糾纏的觀察等實驗而獲得過沃爾夫物理學獎。

近二十年來，量子理論在信息領域中的重要性逐步凸顯，其“在信息處理速度、信息安全性、信息容量、信息檢測精度等方面將會發(fā)揮極大作用。”于是便誕生了一門新的交叉科學——量子信息學。

本次頒獎委員會在介紹獲獎者工作時，特別提到了中國科學家所做的工作，這在一定程度上體現了中國在量子信息研究上的重要地位。本文主要關注三個問題：本屆諾貝爾物理學獎獲得者的科學貢獻有哪些？為什么說本屆諾貝爾物理學獎背后有中國科學家的貢獻？回顧中國在量子信息領域的貢獻對我國開展科技管理有哪些啟示？

阿蘭·阿斯佩，法國物理學家，1947年出生于法國阿讓，畢業(yè)于法國卡尚高等師范學院?，F任法國高等光學學校教授、巴黎綜合理工學院教授，查爾斯法布里實驗室量子氣體組研究員，法國國家科學研究中心名譽研究主任。阿斯佩除諾貝爾物理學獎外還獲得過法國國家科學研究中心金獎、沃爾夫物理學獎和愛因斯坦獎章。此外，阿斯佩還是奧地利、比利時、法國、英國和美國的科學院院士。

1969年阿斯佩就通過聚合實驗，獲得物理學“一級教師資格”并從奧賽大學獲得物理學碩士學位，1983年從法國奧賽巴黎－南德大學獲得博士學位。1971年至1974年，阿斯佩在喀麥隆服過兵役，退伍后擔任巴黎高等師范學院的講師。阿斯佩在研究生涯早期就開展了關于驗證貝爾不等式的實驗。1980年，他在撰寫博士論文時通過“難以捉摸的貝爾不等式實驗”證明了貝爾不等式的成立，說明了不存在關于局域隱變量的物理理論可以復制量子力學的每一個預測。進而表明納森·羅森、波多爾斯基和愛因斯坦的量子力學反證法通常是在一定距離下的幽靈行為。事實上，當兩個粒子相距任意大的距離時，這種反證法似乎實現了。

量子糾纏作為一種理論——被阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）所拋棄——當一個粒子一分為二時，兩個新粒子的屬性保持聯(lián)系，就好像通過一根看不見的繩子，不管它們相距多遠。直到1981年，阿斯佩和他的團隊在實驗中首次證明了這一現象，在12米（40英尺）的距離上，兩個光子（光的單位）糾纏在一起。他的實驗最終解決了愛因斯坦和尼爾斯·玻爾（Niels Henrik David Bohr）之間的爭論。該實驗為阿斯佩所謂的“第二次量子革命”鋪平了道路。自此一系列新技術，包括量子計算、加密等開始登上歷史舞臺。

1985年，他接受了巴黎法蘭西學院原子物理系的教職，之后成為夏爾·法布里光學研究所的高級科學家，后來擔任原子光學小組的教授和負責人，并在巴黎理工學院擔任教授。阿斯佩擁有著奪目的研究履歷，在量子領域開創(chuàng)了多個第一，諸如在實驗證明中排除測量站之間的亞光速通信，證明量子力學使可分離隱變量理論無效；通過實驗證明單光子的波粒二象性；比較了相同條件下費米子和玻色子的漢伯里布朗-特維斯相關性；證明了超冷原子系統(tǒng)中的安德森局域化。

約翰·克勞澤，美國理論和實驗物理學家，1942年出生于美國加利福尼亞州帕薩迪納，1964年獲得加州理工學院物理學學士學位，1966年獲得物理學碩士學位，1969年獲得哥倫比亞大學物理學博士學位。

從1969年到1996年，他在勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和加州大學伯克利分校工作。1969年，受約翰·貝爾（John Bell）理論啟發(fā)，他與邁克爾·霍恩（Michael Horne）、艾布納·希蒙尼（Abner Shimony）和理查德·霍爾特（Richard Holt）一起首次提出了對局部隱變量理論的檢驗，并為這些理論提供了第一個實驗上可檢驗的CHSH－貝爾定理預言，即克勞澤－霍恩－希莫尼－霍爾特（CHSH）不等式。1972年，他與斯圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作，對CHSH不等式的預測進行了實驗。這是世界上第一次觀察到非局域量子糾纏。1974年，他與邁克爾·霍恩合作，把局部實在論公式化為局部隱變量理論進行推廣，并首次表明貝爾定理的推廣為所有的局部實在論提供了嚴格的約束。這項工作引入了Clauser-Horne（CH）不等式，作為率先由局部實在論提出的完全通用的實驗要求，直到2013年才通過測試。他還引入了“CH不增強假設”，據此CH不等式簡化為CHSH不等式，由此相關的實驗測試也限制了局部實在性。

克勞澤最重要的貢獻是對量子力學基礎的開拓，特別是CHSH不等式，首次實驗證明非局域量子糾纏是真實的（弗里德曼－克勞澤），以及局域實在論的形成（克勞澤－霍恩）。1972年的Freedman-Clauser實驗同樣被認為足夠重要，已經成為本科物理實驗課程必做項目。

安東·塞林格，奧地利物理學家，1945年出生于奧地利，1971年在維也納大學獲得博士學位。曾擔任奧地利物理學會主席，現任奧地利科學院院長。主要研究領域是量子力學的基礎實驗，重點是量子糾纏、量子干涉測量和量子信息。特別是對新穎的糾纏態(tài)及其在量子通信和量子計算中的應用研究。正如他在首屆艾薩克·牛頓獎章的頒獎詞中所提到的因其“對量子物理學基礎的開創(chuàng)性概念和實驗貢獻而受到認可，這些貢獻已成為快速發(fā)展的量子信息領域的基石”。除今年的諾貝爾物理學獎外，他還獲得過薩托里烏斯獎、艾薩克·牛頓獎章、沃爾夫獎以及世界科學院的TWAS獎章。

塞林格目前是維也納大學量子信息研究所物理學教授，并且他還擔任過包括麻省理工學院、慕尼黑工業(yè)大學、柏林洪堡大學、牛津大學和法蘭西學院的客座教授。與此同時，塞林格還是包括奧地利、中國、法國、德國、羅馬尼亞、俄羅斯、烏克蘭、英國和美國的科學院院士。塞林格作為著名的量子信息領域和量子力學基礎的先驅，實現了許多重要突破，他以糾纏的實驗和理論工作而聞名，最著名的是多粒子糾纏態(tài)的實現、量子隱形傳態(tài)、量子通信和密碼學等。

值得一提的是，塞林格與中國頗有淵源，他有多位中國學生，潘建偉院士就是其中之一。他積極推動中奧國際學術交流與合作，盡可能為中國學者參加國際交流創(chuàng)造條件。不僅如此，他還在中國科學技術大學、南京大學、西安交通大學擔任名譽教授，為中國青年學子在量子領域的研究提供幫助。塞林格的團隊合作參與了中科院主導的洲際量子通信實驗，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在國際上第一次實現了北京－維也納兩地的量子保密通信，成果入選2018年度國際物理學十大進展。

三位科學家通過證明貝爾不等式不成立，驗證了量子力學的完備性。克勞澤提出可以證明貝爾不等式不成立的實驗，阿斯佩則彌補了克勞澤實驗中的漏洞。塞林格通過更多地實驗進行檢驗，其團隊還利用量子糾纏展示了量子隱態(tài)的傳輸。他們的工作開拓了量子信息科學的研究領域，成為第二次量子信息革命的先驅。

量子力學的誕生深刻地改變了人類社會，在20世紀推動社會發(fā)展的核能、激光、半導體等高科技都源于量子力學。中國對量子信息的關注始于20世紀80年代對量子光學的研究，根據對研究成果和技術應用的梳理，可將中國量子信息發(fā)展劃分為三個時期：一是創(chuàng)新積累時期（2001年以前），二是跟隨創(chuàng)新時期（2001－2009年），三是領跑創(chuàng)新時期（2009年至今）。

在20世紀，中國已經出現了一些從理論物理、光學和實驗物理學領域，研究量子信息學的學者，如王育竹、彭堃墀和郭光燦等。他們從自身的學科背景和研究領域出發(fā)，從不同的角度關注并研究與量子信息有關的問題，日后成為量子信息領域的帶頭人。

2000年以來，在科學家的呼吁和推動下，我國相繼設立了一些與量子信息有關的實驗室，包括：中國科學院量子光學重點實驗室、中國科學院量子信息重點實驗室、量子光學與光量子器件國家重點實驗室等。智力資源的集聚和創(chuàng)新平臺的建設為后來的趕超和超越發(fā)展奠定了基礎。在量子通信領域，郭光燦團隊和潘建偉團隊的研究實力逐漸凸顯，通過建立協(xié)同創(chuàng)新中心，成立了技術公司推動成果轉化，在研究與應用領域齊頭并進。

從2009年至今，中國在量子通信技術領域不斷取得進展，發(fā)射“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，相繼建成了蕪湖量子政務網、合肥城域量子通信試驗示范網、濟南量子通信城域網、京滬干線等，中國在量子信息領域的國際影響力不斷提升。

1983年8月，第五屆國際量子光學會議在美國羅徹斯特大學召開的，共有8名中國人參會，其中包括：郭光燦、彭堃墀、謝長德、于良、陸啟生五名訪問學者和吳令安等三名研究生。他們一致認為量子光學，是光學乃整個物理學領域中有較強生命力的學科，在未來幾十年內將會有重大的突破，中國在這個領域雖然在當時是一片空白，但是只要奮起直追，措施得力，就可以在這個新興的領域做出中國人自己的貢獻并獲得一席之地。郭光燦、彭堃墀、吳令安、謝長德等人商定，回國之后要通力協(xié)作，組織和培養(yǎng)國內量子光學的隊伍，為振興中國的量子光學事業(yè)而齊心協(xié)力。這次小小的聚會成為中國量子光學和量子信息發(fā)展的里程碑。

郭光燦回國后的第一件事情就是兌現自己推動中國量子光學發(fā)展的諾言。1984年，他用中國科學技術大學資助的3000元在安徽瑯琊山醉翁亭召集了全國首屆量子光學會議，共有50多人參加。雖然大多與會者未曾開展過量子光學研究，很多人抱著嘗新鮮的態(tài)度來參加了這次會議，但是這次會議成為了中國量子光學的起點。

經過近十年的發(fā)展，中國的量子光學已經初具規(guī)模，在國際和國內的影響力初步形成。1990年10月24日，在成都科學技術大學（后并入四川大學）舉辦的第四屆全國量子光學會議上，中國物理學會常務理事會正式決定成立量子光學專業(yè)委員會，量子光學專業(yè)委員會掛靠在中國科技大學，曹昌祺擔任主任，彭堃墀擔任副主任委員、郭光燦擔任副主任委員兼秘書長。在這次會議上，譚維翰做了大會報告，歐發(fā)、彭金生，和寧生、高錦月、何林生、曹昌琪等從事量子光學的前輩參加了這次會議，我國量子光學領域的研究隊伍慢慢壯大起來，學科也得以迅速發(fā)展，標志著中國量子光學事業(yè)從無到有的發(fā)展到了新的階段。

后來成為中國量子通信領軍人物的潘建偉，也在國外實現著自己的“量子夢”。他于1987年至1995年在中國科學技術大學學習，跟隨張永德教授攻讀碩士學位，先后獲理論物理專業(yè)學士和碩士學位。1996年他赴奧地利學習，投身塞林格教授門下，三年后獲維也納大學實驗物理博士學位，1999年至2001年在維也納大學實驗物理所從事博士后研究。潘建偉與荷蘭學者波密斯特（Bouwmeester）等人合作，首次實現了未知量子態(tài)的遠程傳輸，這是國際上首次在實驗上成功地將一個量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上，該成果發(fā)表于《自然》雜志。

“20世紀90年代，當量子信息作為一門新興學科在國際學術界悄然萌芽時，郭光燦敏銳地意識到，這是極富有生命力的嶄新發(fā)展方向，是中國可能在國際學術界占據一席之地的大好機遇?！?001年，經過多年“屢戰(zhàn)屢敗，屢敗屢戰(zhàn)”，郭光燦申請到科技部“量子通信和量子信息技術”“973”項目（現國家重點基礎研究發(fā)展計劃），這也是我國第一個量子信息領域的“973”項目。與當年推動量子光學的發(fā)展一樣，郭光燦希望整合全國力量共同研究量子信息技術。

五年后，項目以優(yōu)秀結題，不僅產出了一批出色的研究成果，而且在全國各地初步建立起了若干的研究基地，更為重要的是培養(yǎng)了一支杰出的科研團隊，項目中的四位課題組長：郭光燦（2003年信息技術科學部），彭堃墀（2003年信息技術科學部），孫昌璞（2009年數學物理學部）和潘建偉（2011年數學物理學部）先后被評為中國科學院院士。2015年，課題組成員杜江峰也被評為中國科學院院士（數學物理學部），有10多位年輕學術骨干后來作為首席科學家承擔了科技部“973”項目，這在整個學術界是一個非常罕見的現象。

量子通信技術的創(chuàng)新來源于量子信息科學的研究，是科研和實踐相互作用產生的。在量子通信的發(fā)展過程中經歷了從基礎研究到應用研究的過程。在世紀之交，我國相繼設立的一些與量子信息有關的實驗室也開始從事技術應用的開發(fā)工作。2007年，潘建偉團隊在世界上首次實現了基于誘騙態(tài)方案的超過100km的光纖量子通信實驗。2009年，郭光燦團隊在安徽省蕪湖市建成世界上第一個“量子政務網”并投入了試運行。

經過20年的發(fā)展，中國逐漸形成了幾個主要的研究團隊。分別是中國科技大學的郭光燦團隊、潘建偉團隊和杜江峰團隊，以及山西大學的彭堃墀團隊，各個團隊在研究量子信息研究方面呈現你追我趕的架勢。

2016年8月，我國自主研發(fā)的世界首個量子科學實驗衛(wèi)星——“墨子號”發(fā)射成功，人類首次邁向真正意義上的衛(wèi)星和地面之間的量子通信?！澳犹枴睋碛腥罂茖W任務：星地量子糾纏分發(fā)及非定域性檢驗、星地量子密鑰分發(fā)、星地量子隱形傳態(tài)。“墨子號”的主要目標是：一是做衛(wèi)星和地面之間的量子通信；二是能夠通過衛(wèi)星實現遠距離的糾纏光子分發(fā)，測試量子糾纏現象，并在遠距離地點之間對量子力學預言的非定域性進行檢驗；三是做量子信息的遠距離傳送，即量子隱形傳態(tài)。盡管現在用光纖上網，但量子通信的信號在光纖里傳輸一百公里之后，99%的信號都損耗掉了。但是上天之后，通過量子衛(wèi)星則可以傳播幾百K的密鑰，大大提高量子保密通信的密鑰分發(fā)數量?！?/span>

美國和歐洲在量子信息科學發(fā)展上一直處于領先地位，但為什么這次是中國首發(fā)量子科學實驗衛(wèi)星？潘建偉解釋發(fā)射衛(wèi)星是一個非常復雜的過程，需要一個非常龐大的團隊來做，例如衛(wèi)星平臺、空間光跟瞄、地面大型望遠鏡的接收等。除了科研團隊之外，“墨子號”是由中科院上海技術物理研究所等將近十幾個研究所，幾百人一起完成的。

此后，隨著國家的逐步重視，整體布局，我國量子信息技術發(fā)展進入快車道。2017年，世界上第一條無線量子保密通信系統(tǒng)“京滬干線”建成。2020年，中國墨子號無線量子科學實驗室探測衛(wèi)星在境內國際上率先完成了基于量子糾纏技術的千公里毫秒級無線量子密鑰及時分發(fā)，將以往基于地面無中繼器的量子保密信息通信的量子空間探測距離精度提高了一個新的數量級。2021年發(fā)布的《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》規(guī)劃中明確提出了組建量子信息領域的國家實驗室，持續(xù)加碼量子信息技術，保持我國在量子領域第一陣營中的地位，提升我國未來科技競爭力。

通過分析2022年三位物理學諾貝爾獎得主的科學貢獻，并縱觀我國在量子信息領域的發(fā)展歷程，可以發(fā)現基礎科學發(fā)現促進或轉化為新興產業(yè)創(chuàng)新，具有兩個重要因素：開放的國際化人才體系和有力的政府支持。我國在量子信息領域的發(fā)展經驗，可以為其他科技領域的發(fā)展提供啟示。

關于國際化人才體系建設。一方面，要優(yōu)化教育特別是高等教育培養(yǎng)體系，突破人才甄別選拔困境，完善人才隊伍培養(yǎng)和管理體制，建立符合科技發(fā)展規(guī)律的人才發(fā)展機制?！巴晟瓶蒲腥藛T評價和獎勵制度，以解決重大戰(zhàn)略性科技問題的能力為標準，強調長期考核和穩(wěn)定資助，給人才以用武之地。”另一方面，在國際人才培養(yǎng)方面，需要保持與國際科學界的友好關系，加強科技人才交流溝通。既要繼續(xù)支持留學生、訪問學者赴國外學習，也要引進高層次科技人才，在全球范圍配置人才資源。

政府在研究制定政策支持基礎上需要遵循創(chuàng)新規(guī)律，有針對性地提供相應政策支持。在創(chuàng)新過程的上游基礎研究階段，需要對理論創(chuàng)新進行持續(xù)投入；在創(chuàng)新的中游階段，需要在國際科技發(fā)展趨勢下，按照國家需求，鼓勵關鍵核心技術突破；在創(chuàng)新過程的下游和應用開發(fā)階段，需要對技術開發(fā)和原型生產、產業(yè)化進行支持，引導基礎研究向經濟應用發(fā)展，鼓勵高校和科研機構與企業(yè)合作，將成果落地。

“隨著科技的進步與行業(yè)競爭力的加劇，科研創(chuàng)新團隊的發(fā)展受到的限制和壓力越來越大，因此，科研創(chuàng)新團隊的發(fā)展需要積極尋找外部合作的機會，獲取政府、高校和各種社會機構的外界支持?！睆幕A研究到產業(yè)化需要建立一個整體連貫的科學研究架構和協(xié)調機制。這種機制建立可以分為三個階段，一是基礎研究的成果產出，二是基礎研究成果向產業(yè)化過渡，三是產業(yè)化推廣。在基礎研究向產業(yè)化轉化的過程中，主要面臨兩大挑戰(zhàn)，一是基礎研究的成果識別，二是如何支持基礎研究向產業(yè)化過渡。

“基礎研究是科學體系的源頭，是所有技術問題的總機關，只有重視基礎研究，才能永遠保持自主創(chuàng)新的能力?！被A研究的推動主要依靠科學家興趣與國家需求兩種形式實現。對于基礎研究成果多是以理論、假說的形式存在，在一定條件下存在難以證偽的現實局限性。那么對成果的選擇可能會產生資源錯配的情況。對于量子領域的研究如果不是早期王育竹、彭堃墀和郭光燦等學者興趣與對科技發(fā)展趨勢的研判，并進行持續(xù)的研究，很可能導致我國量子領域與國際差距越來越大，制約我國量子信息科學與技術的發(fā)展。

可見，對于基礎研究的成果識別雖然具有難以預見性，但是也需要采用一些方法，對此李俠教授提出可以采用綜合打分法，這種方法把理論的優(yōu)點分為五個維度，“分別是準確性（accurate）、一致性（consistent）、廣譜性（broad scope）、簡單性（simple）、成果豐富性（fruitful），這五項指標可以根據需要設定不同權重，然后計算得分，總分值最高的理論就是最好的理論?！北M可能篩選出顛覆性基礎研究。

更為重要的是基礎研究成果向產業(yè)化過渡階段。研究成果需要契合科學發(fā)展趨勢，也需要符合國家需求。基礎研究的關鍵突破，離不開基礎科學項目的支持和資助。與此同時，基礎研究成果向產業(yè)化過渡，離不開靈活多樣的政府支持。在產業(yè)應用層面，企業(yè)活動需要動用更靈活的政策工具，在政策層面率先縮短基礎研究與新興產業(yè)之間的鏈路。同時，通過開放創(chuàng)新環(huán)境，政府可以讓企業(yè)獲得更廣泛的應用場景進行技術迭代，進而為我國科技創(chuàng)新探索新模式。