Alain Aspect是法國物理學家，因其在量子力學領域的開創性工作，特別是對糾纏粒子(entangled particle)性質的開創性研究，於2022年獲得諾貝爾物理學獎。Aspect的研究闡明了量子物理學最奇怪的特徵，他在1982年用糾纏光子進行的貝爾不等式(Bell’s inequalities)實驗幫助解決了1935年的「愛因斯坦-波爾爭論」(Einstein-Bohr controversy)。他和他以前的博士生，法國物理學家Philippe Grangier隨後證明了單個光子的波粒二象性。在1985~1992年間，他與1997年獲得諾貝爾物理學獎的法國物理學家Claude Cohen-Tannoudji一起開發了原子雷射冷卻技術後，轉向原子光學，他的團隊用原子而不是光子重新審視了量子光學的里程碑，並創造了無序材料量子模擬器。

Aspect在他的整個職業生涯中進行了大量實驗，揭示了量子世界的奧秘。他最重要的貢獻之一是在量子糾纏方面的工作，透過量子糾纏，兩個粒子可以以一種方式連接在一起，以至於無法談論每個粒子的狀態，只能談論這對粒子的全域狀態。他對糾纏光子的研究為量子物理學的最新進展和量子運算的創建奠定了基礎。

Aspect在接受《EE Times Europe》採訪時談到：「諾貝爾獎是因為展示了(量子)糾纏的非凡特性而獲得，但我還研究了許多其他令人驚歎的量子現象，包括將原子冷卻到單光子反沖(one-photon recoil)以下。」

Aspect對冷原子的研究是創新方法的一個例子，它可以冷卻、用雷射固定和操縱原子。這種方法對於實現中性原子量子運算至關重要，他的研究還促使Grangier開發了用於單原子的光鑷(optical tweezer，亦稱光學鑷子或光鉗)。

2022年12月10日，物理學獎得主Alain Aspect在頒獎典禮後展示他的諾貝爾獎獎章。

(攝影：Nanaka Adach，來源：nobelprize.org)

「我認為光子非常適合產生亂數產生器原子和其他涉及幾個量子位的處理，」Aspect說。「在Pasqal中使用的Antoine Browaeys的中性原子方案的主要優點是有可能形成3D結構，這意味著可以輕鬆實現擴展。」

Aspect的研究透過違反貝爾不等式清楚地證明了兩個不同光子之間的糾纏。糾纏物體的每個組成部分都與其他部分緊密相連，即使它們之間的距離阻止了相互作用。糾纏是量子物體的一個基本特徵，第二次量子革命就是由這個想法驅動。

Aspect說：「自1980年代以來已經證明，當你想要擁有一個真正基本的量子現象時，你需要能夠處理單個量子物件，而不是一個你只能集體控制的物件集合。」

量子運算旨在克服經典運算的局限性，帶來前所未有的處理能力，以解決以前無法解決的現實問題。根據Aspect的說法，目前量子運算面臨兩個主要挑戰：

．第一個是退相干，主要與原子的遮罩和冷卻有關；

．另一個挑戰是隨意將任何網站與任何其他網站糾纏在一起的可能性。

但是，他認為解決這些問題並非根本不可能，只不過涉及到「能否工程實現」或「僅僅是一個好主意」的問題。Aspect表示，量子運算技術將穩步提高。「這就像可以在許多工業應用中找到的學習曲線一樣。」

「讓我們以雷射為例，」他說。「為大多數應用提供足夠好的雷射器需要幾十年的時間。我毫不懷疑，當需求存在時，當沒有基本物理定律告訴我們這是不可能的時候，這就是工程問題。如果你既有市場，又能投入資金，它遲早會成功，不一定像想像的那樣。即使在那個階段，人們也需要靈活性。」

獲得諾貝爾獎的Aspect同時也是第一家量子運算公司Pasqal的聯合創始人，他認為，在不遠的將來，我們應該會有量子模擬的相關應用。第一個應用與最佳化問題有關，例如電網的平衡，這個問題變得越來越重要，因為我們需要隨時平衡電動車充電站吸收的電力與網路需求。它類似旅行推銷員問題(travelling salesman problem)，其中複雜性隨節點數量呈指數級成長。

關於Pasqal

量子處理器可以建構在多種平台上，包括捕獲離子、超導電路、量子點和中性原子。法國新創公司Pasqal正在開發其中性原子量子運算平台，目標在2024年之前交付1,000量子位元的量子電腦。

Pasqal是光學研究所(Institut d’Optique)的衍生公司，由 Georges-Olivier Reymond、Christophe Jurczak、Aspect、Antoine Browaeys和Thierry Lahaye於2019年共同創立。

Pasqal使用單個雷射器，然後將其分成多個雷射光束。這意味著該解決方案具有高度可擴展性，因為它允許控制數百個量子位元。量子操作的品質與雷射光束的品質直接相關，例如在頻率穩定性方面。他們正在使用最好的雷射來實施一些穩定技術，以保證量子操作的這種高效率。

關於密碼學

另一個重要的應用是量子密碼學。正如Aspect所指，「量子密碼學的問題在於我們需要量子中繼器，因為超過幾十公里，訊號就會變弱。要擁有好的量子中繼器，就需要好的量子記憶體。再說一次，我認為沒有任何物理基本定律表明不可能開發出良好的量子記憶體，所以我們遲早會有一些。」

量子物理學提供了一種具有量子金鑰分發的資訊理論上安全的方法，允許兩個遠端方安全地生成秘密材料。考慮到量子運算的未來，Aspect表示，我們不僅需要優秀的物理學家和工程師，還需要優秀的電腦科學家。量子物理學很難，主要在大學或公共研究中心進行研究；另一方面，產業要加入競局(enter the game)，必須培養相應的專家。

量子運算技術在過去五年中取得了進步，預計在未來五年內會進一步發展。量子技術主要將強化現有電腦，很少會取代它們。新的量子技術將迅速發展，並創造出新的應用，幾年後，隨著技術部署的加強，將出現由經典電腦和量子電腦組成的混合系統。化學模擬可能是量子運算機具有最大影響的應用，會影響到包括醫學發現和電池技術進步等。

產業界和學術界在量子運算方面的合作將促進從簡單採用高階量子程式設計，到在量子機器上執行的轉變。這為研究人員和教育工作者提供了關於未來容錯量子電腦的量子應用設計的重要見解，未來的合作將為他們提供必要的工具和資源，以加快量子運算研究和教育計畫。

「我一生幾乎都在做基礎研究，」Aspect說。「現在，接近生命的盡頭，我必須承認，如果這項基礎研究有應用，那將是發生在我身上的最好的事情。那將是對我生命的一個很好的額外獎勵。」

(參考原文：Physics Nobel Prize Winner Alain Aspect Talks Quantum Computing，by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文原刊登於EE Tomes China網站

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