無漏洞的貝爾實驗首次實現(xiàn)宣告愛因斯坦隱變量理論出局
量子糾纏,是量子力學(xué)里最古怪的東西,它的大概意思是這樣的:當你對其中一個粒子測量時,也會影響到另一個粒子的狀態(tài),它能產(chǎn)生“鬼魅般的超距作用”。中國科技大學(xué)潘建偉教授主持的量子隱形傳態(tài)研究項目組2013年測出,量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數(shù)量級??茖W(xué)家一直希望能夠建造量子計算機,利用量子糾纏進行超高速計算。
居然有比光快那么多的東西,愛因斯坦表示無法接受。其實不用比光速快很多,只要有超光速的東西出現(xiàn),他就會不接受。他一直無法相信量子糾纏會如此運作,他堅信,一對糾纏態(tài)的粒子更像是一雙手套。把一雙手套分開放置于兩只箱子中,然后一只箱子交給你保管,另一只箱子隨便放置在哪里。你打開箱子,看到左手手套,那么肯定就知道另外一只箱子里裝的是右手的手套。這一點也不神秘,你打開箱子,顯然不會影響到另一只箱子里的手套。
對量子力學(xué)貢獻巨大的愛因斯坦認為量子力學(xué)還不夠完備,背后應(yīng)該隱藏了一個尚未發(fā)現(xiàn)的理論。作為愛因斯坦思想的繼承人,玻姆于1952年在標準量子理論中加入了定域(任何物理效應(yīng)都不可能以大于光速的速度傳遞)的“隱變量”。英國物理學(xué)家約翰·貝爾后來找到一個實驗可以驗證的判據(jù),來判定定域的隱變量理論與正統(tǒng)量子理論到底哪個正確。
最近,物理學(xué)家實現(xiàn)了第一例可以同時解決探測漏洞和通信漏洞的貝爾實驗。最新實驗宣告愛因斯坦隱變量理論徹底出局了嗎?
8月24日,荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家羅納德·漢森(Ronald Hanson)領(lǐng)導(dǎo)的團隊在論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上傳了他們最新的論文,報道他們實現(xiàn)了第一例可以同時解決探測漏洞和通信漏洞的貝爾實驗。該研究組使用了一種巧妙的技術(shù),稱為“糾纏交換”(entanglement swapping),可以將光子與物質(zhì)粒子的好處結(jié)合在一起。最終測量結(jié)果表明兩個電子之間的相干性超過了貝爾極限,再一次支持了標準量子力學(xué)的觀點,否定了愛因斯坦的隱變量理論。不僅如此,由于電子很容易檢測,探測漏洞就不是問題了,而兩個電子之間的距離又足夠遠,也填補了通信漏洞。
量子信息領(lǐng)域?qū)W者認為,這是一個極為重要的實驗,學(xué)界等待一個無漏洞的貝爾不等式驗證實驗太久了,它標志著貝爾不等式可以被稱為貝爾定律了。這個實驗也宣告了局域隱變量理論的死刑:量子非局域性是真實的。
標準量子力學(xué)VS隱變量理論
如果問一位物理學(xué)家,史上最成功的物理理論是什么?十有八九,他會回答量子理論。從1900年普朗克發(fā)明量子論開始,到1927年海森堡和薛定諤確立了量子力學(xué)的數(shù)學(xué)形式,短短幾十年量子理論就占據(jù)物理學(xué)中的統(tǒng)治地位。人們用它來解釋基本粒子的性質(zhì)、原子發(fā)光光譜、原子組成材料的特性,甚至是宇宙的誕生與演化。這一百多年中,量子理論幾乎在所有的地方都取得了巨大成功。但對它的根基是否完備,人們一直有爭議。
根據(jù)量子理論,測量會導(dǎo)致系統(tǒng)波函數(shù)的塌縮,被測的物理量才被確定。這非常奇怪,難道說在測量之前物理量就沒有意義嗎?進而言之,沒有觀察者,現(xiàn)實世界就不存在嗎?從1920到1930年代,愛因斯坦和波爾就量子力學(xué)是否完備,量子力學(xué)的本質(zhì)是什么進行了多次論戰(zhàn)。1935年,愛因斯坦、波多斯基和羅森(EPR)三人提出了一個佯謬,指出要么量子理論是不完備的,要么量子力學(xué)會導(dǎo)致超光速的作用,與局域性相違背
根據(jù)量子理論,微觀粒子可以處于量子疊加態(tài)。比如說電子的自旋有向上和向下兩種狀態(tài),這兩種自旋態(tài)可以處于任意的疊加態(tài)。如果有兩個電子,它們的自旋態(tài)有四種可能:上上,下下,上下和下上。把它們制備到相互糾纏的狀態(tài):自旋同時向上和同時向下的疊加態(tài)。當我們測量出一個電子的自旋是向上(向下)的,那么另外一個電子的自旋態(tài)就塌縮到向上(向下)的狀態(tài),不論電子之間的距離到底有多遠。這個塌縮是瞬時的,傳遞速度超越了光速。最新的實驗表明,這個超距相互作用傳遞速度至少是光速的一萬倍
而在愛因斯坦看來,這種超距相互作用是不可思議的,違背了狹義相對論。他認為電子的狀態(tài)在測量之前就確定好了,自旋狀態(tài)與測量無關(guān)。他呼吁建立一個更一般的局域?qū)嵲谡摾碚搧韽浹a量子理論的不足,消除超距作用。作為愛因斯坦思想的繼承人,玻姆于1952年在標準量子理論中加入了局域的“隱變量”[3],把它變?yōu)榱艘粋€完全決定性的理論,從而把局域性保存了下來。需要指出的是,后來的研究表明,量子糾纏的超距作用無法實現(xiàn)信息的超光速傳遞,相對論并沒有被破壞。
貝爾不等式:實驗可證偽
英國物理學(xué)家約翰·貝爾1928年出生,那時量子力學(xué)的數(shù)學(xué)形式已經(jīng)確立了。等他上大學(xué)時,波爾學(xué)派對量子理論的解釋已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位,但是貝爾對此一直有疑惑。當他讀到愛因斯坦與波爾的論戰(zhàn)文章后,站在了愛因斯坦一方,因為他覺得愛因斯坦遠比波爾聰明。因此,當玻姆隱變量理論出現(xiàn)后,貝爾就成為了隱變量的支持者。大學(xué)畢業(yè)后,貝爾成為了粒子加速器理論的專家,對量子理論的基礎(chǔ)的思考,只是業(yè)余愛好。思考了這個問題十幾年,他認為問題的關(guān)鍵在于找到一個實驗可以驗證的判據(jù),來判定隱變量理論與量子理論到底哪個正確。
1963年,貝爾獲得了到美國加州斯坦福直線加速器實驗室工作一年的機會,從而有時間專門研究隱變量理論。1964年,他定義了一個可觀測量,并基于隱變量理論預(yù)言的測量值都不大于2[4]。而用量子理論,可以得出其最大值可以到。一旦實驗測量的結(jié)果大于2,就意味著局域隱變量理論是錯誤的。貝爾不等式的誕生,宣告了量子理論的局域性爭議,從帶哲學(xué)色彩純粹思辨變?yōu)閷嶒灴勺C偽的科學(xué)理論。
雖然貝爾研究隱變量理論的初衷是要證明量子理論非局域性有誤,可后來所有的實驗都表明局域隱變量理論預(yù)言有誤,而量子理論的預(yù)言與實驗一致。1972年,第一個驗證量子力學(xué)非局域性的實驗出現(xiàn)了[5]。1982年,貝爾不等式得到阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)等人驗證,量子理論勝出[6]。但這些實驗中存在漏洞。首先是局域性漏洞:兩個糾纏的光子距離太近,對貝爾不等式的違背,有可能是靠某個不大于光速的通訊通道來實現(xiàn)的,而非源自量子理論非局域性;其次是測量漏洞:這些實驗是用光子做的,光子探測器效率不夠高(閾值是82.8%),不能排除測量漏洞。
無漏洞的貝爾不等式驗證
從阿斯佩驗證貝爾不等式開始到現(xiàn)在,三十多年過去了,人們在光子、原子、離子、超導(dǎo)比特、固態(tài)量子比特等許多系統(tǒng)中都驗證了貝爾不等式,所有的實驗都支持量子理論。有部分基于光子的實驗排除了局域性漏洞,可是受限于光子探測器效率,沒有排除測量漏洞。有部分基于原子或離子的實驗,由于對離子能級探測效率接近于1,排除了測量漏洞,但沒有排除局域性漏洞。到目前為止,還沒有一個實驗?zāi)芡瑫r排除局域性漏洞和測量漏洞。
荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)的羅納德·漢森研究組,最近在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org上公布了一篇實驗論文,報道了他們在金剛石色心系統(tǒng)中完成的驗證貝爾不等式的實驗[7]。之所以選擇用金剛石色心來做這個實驗,有以下幾個原因:首先,色心所發(fā)出的光子在可見光波段,在光纖中傳播損耗非常小;其次,探測色心狀態(tài)所需要的的時間很短,只要幾個微秒。因此,要避免局域性漏洞,只需把兩個金剛石色心分別放置在相距1.3公里的兩個實驗室。利用糾纏光子對和糾纏交換技術(shù),他們實現(xiàn)了金剛石色心電子之間的糾纏。兩個色心直接用光通訊所需時間大概4.27微秒,而完成一次實驗的時間為4.18微秒,比光通信時間少90納秒,因此解決了局域性漏洞。此外,色心的測量效率高達96%,測量漏洞也被堵上了。總之,他們聲稱實現(xiàn)了無漏洞的驗證貝爾不等式的實驗,在96%的置信度(2.1個標準差)上支持量子理論,從而證偽了局域的隱變量理論。
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