撰文 澤亞·梅拉利
翻譯 丁家琦
審校 韓晶晶
最新實驗補上了此前驗證量子力學“超距作用”時的漏洞，最終證明愛因斯坦錯了。這一發(fā)現(xiàn)可幫助我們改善數(shù)據(jù)加密技術(shù)，讓數(shù)據(jù)傳輸更安全。
對于愛因斯坦和黑客來說，這或許是個糟糕的消息。眾所周知，愛因斯坦痛恨量子力學的“幽靈般的超距作用”，即操縱一個物體可以立即影響到遠距離之外的另一個物體。但這種量子效應(yīng)現(xiàn)在已經(jīng)通過了迄今為止最嚴格的檢驗，被證明是量子世界與生俱來的一部分。
一些物理學家認為標準量子力學過于違背直覺，并另外發(fā)展了一些更符合直覺的微觀世界模型，但在荷蘭進行的這一實驗徹底擊毀了他們的最后希望。這一發(fā)現(xiàn)也可幫助量子工程師研究出新一代超安全加密設(shè)備。
“從基礎(chǔ)物理學的角度來看，這是一個歷史性的事件?！比鹗咳諆?nèi)瓦大學的物理學家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）說，他沒有參與這項研究。
在量子力學中，物體可以同時處于多個狀態(tài)，即疊加態(tài)。如一個原子可以同時處于兩個位置，或者擁有相反方向的自旋，而對物體進行測量會迫使它“坍縮”到一個特定的態(tài)上。此外，不同物體的性質(zhì)可以發(fā)生“糾纏”，即它們的態(tài)以某種方式聯(lián)系在一起：當一個物體的性質(zhì)被測量時，與它糾纏的另一個物體的性質(zhì)也會改變。
這個想法是愛因斯坦所痛恨的，因為這似乎意味著這種“幽靈般的”相互作用甚至可以在距離很遠的粒子之間即時傳播，這就違背了沒有任何物體運動速度可以超越光速這條普適原則。他提出，量子粒子的性質(zhì)其實在測量之前就已經(jīng)決定了，被稱為“隱變量”，盡管我們不能觀測到它，但“隱變量”預(yù)先決定了處在糾纏中的粒子的行為，使得它們看起來似乎存在相互作用。
20世紀60年代，愛爾蘭物理學家約翰·貝爾提出了一種檢驗方法，可以區(qū)分出粒子行為到底是符合愛因斯坦的隱變量理論，還是處于量子力學的“幽靈作用”中。他通過計算發(fā)現(xiàn)，隱變量所能解釋的相干性有一個上限。如果超過了那個上限，愛因斯坦的模型就一定是錯誤的。
1981年，法國光學研究所由阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）領(lǐng)導的團隊率先進行了第一個貝爾實驗，自此以來出現(xiàn)了越來越多的實驗，所有的實驗都支持“幽靈”假說。但每個實驗都有一些漏洞，以至于物理學家一直沒能讓愛因斯坦的觀點徹底出局。使用糾纏光子的實驗經(jīng)常出現(xiàn)一種“探測漏洞”（detection loophole）：由于實驗并不能探測到所產(chǎn)生的所有光子，有時候甚至會漏掉80%的光子，因此實驗者只能假設(shè)他們所探測到的光子性質(zhì)能夠代表整個光子群體。
為了避免產(chǎn)生“探測漏洞”，物理學家通常會使用比光子更易跟蹤的粒子，例如原子。然而，對于原子來說，想把它們分隔得很遠又不至于破壞糾纏就更為困難，這就產(chǎn)生了“通信漏洞”：如果糾纏中的原子距離過近，那么對一個原子的測量會影響另一個原子行為就并沒有違背光速極限。
8月24日，荷蘭代爾夫特大學的物理學家羅納德·漢森（Ronald Hanson）領(lǐng)導的團隊在論文預(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。他們首先取了位于代爾夫特大學兩個不同實驗室中的一對非糾纏電子，彼此間距離為1.3千米，每個電子都與一個光子相糾纏，而這兩個光子都被發(fā)送到了第三個地點。在第三個地點他們讓這兩個光子糾纏，這就導致了與光子相糾纏的兩個電子也處于糾纏態(tài)。
這個過程并不是每次都能取得成功。在9天內(nèi)，該小組總共產(chǎn)生了245對互相糾纏的電子，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。
“這真是個精巧而優(yōu)美的實驗?！本S也納大學的量子物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）說道。
“如果幾年后這篇論文的作者與首次進行貝爾實驗的阿斯佩等人得了諾貝爾獎，我一點都不會感到驚訝，”加拿大圓周理論物理研究所（Perimeter Institute）的量子物理學家馬修·萊費爾（Matthew Leifer）說，“這真是太激動人心了。”
萊費爾還說，一個沒有漏洞的貝爾檢測對量子加密技術(shù)也有深遠意義。已經(jīng)有很多公司在出售使用量子力學原理來阻止偷聽的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)會產(chǎn)生處于糾纏態(tài)的光子對，將其中一個光子發(fā)送給第一個用戶，另一個光子發(fā)送給第二個用戶，這兩個用戶就能將光子轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥兴麄儌z知道的密鑰。由于觀測任意量子系統(tǒng)都會破壞它們的特性，因此一旦有人試圖偷聽這個過程，就會產(chǎn)生一個可觀測的效應(yīng)，觸發(fā)警報。
但如果這樣的系統(tǒng)存在漏洞，尤其是觀測漏洞，更為狡猾的偷聽者就能找到途徑偷聽到信息。使用這種漏洞，惡意的公司就能售賣一些所謂的“量子糾纏加密系統(tǒng)”，讓用戶以為他們的粒子處在糾纏態(tài)，而事實上公司可以暗中監(jiān)視他們的信息。1991年，量子物理學家阿圖爾·埃克特（Artur Ekert）提出，在加密技術(shù)中使用貝爾測試，可以確保這個系統(tǒng)中的過程是完全量子性質(zhì)的。然而為了達到這一目的，貝爾測試必須掃除一切黑客可能利用的漏洞，而代爾夫特大學的實驗則最終證明了量子加密技術(shù)可以做到完全安全。
不過，身為日內(nèi)瓦一家量子加密公司（名為ID Quantique）的領(lǐng)導者，吉辛也指出，糾纏交換這種想法在現(xiàn)實中會很難實現(xiàn)。該研究組花了一個多星期才產(chǎn)生了幾百個糾纏電子對，而一個量子密鑰就需要每分鐘處理幾千比特的數(shù)據(jù)。
蔡林格也指出最后可能還存在著一個哲學層面上的漏洞，是貝爾自己最先發(fā)現(xiàn)的：有可能愛因斯坦的“隱變量”仍然存在，并操縱了實驗者對測量何種性質(zhì)的選擇，誘使他們相信量子理論是正確的。
然而萊費爾倒不怎么擔心這個“自由選擇漏洞”。他說：“可能存在著某種‘超決定論’，在宇宙大爆炸時期就決定了所有的測量選擇，但這種想法是無法證偽的，所以我想大多數(shù)物理學家都不會為它所困擾。”
原文鏈接：
http://www.nature.com/news/quantum-spookiness-passes-toughest-test-yet-1.18255
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