朋友們，你們知道愛因斯坦和玻爾曾經(jīng)有過一場論戰(zhàn)么？
借助咱們的“墨子號”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，科學(xué)家在國際上首次實(shí)現(xiàn)了空間尺度上量子糾纏分發(fā)，為玻爾的勝利加上了一枚重量級砝碼。
今天為大家梳理一下這場持續(xù)了一百年的論戰(zhàn)是怎么回事。
1927年的索爾維物理學(xué)會議，圖中的每個(gè)人當(dāng)時(shí)正為今天的大貝爾實(shí)驗(yàn)所要驗(yàn)證的世界觀進(jìn)行激烈辯論
19和20世紀(jì)交會之際，一場量子物理學(xué)革命從人們對經(jīng)典理論的滿足感中隱約萌發(fā)，并迅速以狂風(fēng)驟雨一般的態(tài)勢席卷了世界上最頂級科學(xué)家的頭腦。隨著量子理論的發(fā)展和完善，微觀世界里很多經(jīng)典理論不能解釋的現(xiàn)象得到了很好的解決，大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)支持量子力學(xué)的合理性。但是，對于量子力學(xué)理論本身究竟是不是完備的，不同的科學(xué)家陣營有著不同的理解。因?yàn)榱孔永碚搶?shí)在太反直覺了。
比如，微觀世界里兩個(gè)粒子的“糾纏”，就非常令人費(fèi)解——當(dāng)兩個(gè)粒子存在糾纏，即使以類空間隔進(jìn)行關(guān)聯(lián)測量，也會表現(xiàn)出某種非經(jīng)典意義下的關(guān)聯(lián)。也就是說，兩個(gè)粒子存在著跨越時(shí)空的詭異的互動。這在經(jīng)典世界看來簡直太不合理了。量子物理學(xué)家、日內(nèi)瓦大學(xué)的Nicolas Gisin教授曾經(jīng)做過一個(gè)生動的比喻：
我們想象一下，Alice和Bob兩個(gè)人住的很遠(yuǎn)，彼此之間沒有通信，他們每天都去各自家門口的雜貨店買食品，然后我們居然發(fā)現(xiàn)，他們兩人每晚的菜單總是相同。一般情況下，你會給一個(gè)什么樣的解釋呢？要么，其中的一個(gè)人偷偷抄下了另一個(gè)人的菜單；要么，兩家雜貨店早就串通一氣，每一晚兩家店都賣同樣的東西，Alice和Bob的菜單因此被決定了。
不管哪種解釋吧，前者的直接影響也好，后者的間接影響也罷，都是在空間中從一點(diǎn)到下一點(diǎn)連續(xù)傳遞的，物理學(xué)上叫做“局域的”。如果你也覺得無非就這兩種解釋了，那么，恭喜你，愛因斯坦也是這么想的。
可是，以玻爾為代表的科學(xué)家不認(rèn)同這兩種解釋，他趨向于第三種——量子理論本身就是完備的，Alice和Bob之間就是存在超越時(shí)空的瞬間的聯(lián)系，根本不需要什么偷看菜單、雜貨店串通這類手段，總之，Alice和Bob是真愛，沒有什么能把他們分開！
1927年的索爾維物理學(xué)會議上，兩派誰也說服不了誰，直到1935年，愛因斯坦和Podolsky、Rosen共同發(fā)表了一篇文章，理論上論證了量子理論并不是完備的。愛因斯坦認(rèn)為，你要非說一個(gè)物理理論是完備的，必須符合定域?qū)嵲谡?，它有兩個(gè)要求：第一，兩個(gè)事件不能跨越類空間隔發(fā)生因果關(guān)系；第二，物理量是客觀實(shí)在的，應(yīng)當(dāng)具有確定的數(shù)值。而根據(jù)定域?qū)嵲谡撏茖?dǎo)出的結(jié)果，與量子理論觀點(diǎn)中的不確定原理是矛盾的，所以物理學(xué)界管愛因斯坦的這番推理叫做“EPR佯謬”。在愛因斯坦看來，玻爾那種什么類空間隔的兩個(gè)系統(tǒng)之間還能相互影響的描述，簡直太荒謬了。
雖然實(shí)驗(yàn)上，微觀系統(tǒng)表現(xiàn)出數(shù)值上的不確定性，但是愛因斯坦認(rèn)為，那只不過是因?yàn)槟撤N不為人知的隱變量存在，而并不是真正意義上的隨機(jī)——因?yàn)?，你一定也聽過那句話，“上帝不擲骰子?！?/p>
1964年，Bell基于愛因斯坦的定域?qū)嵲谡摵碗[變量假設(shè)，推導(dǎo)出一個(gè)不等式，基于隱變量和定域?qū)嵲谡摰睦碚摃袷剡@個(gè)等式，而如果世界真的遵從玻爾的那套“認(rèn)為量子理論本身是完備的”說法，這個(gè)不等式是很容易被破壞的。后來，Bell不等式還出現(xiàn)了很多實(shí)驗(yàn)上更好用的推廣形式。
自此，關(guān)于量子力學(xué)本質(zhì)的大討論，終于在實(shí)驗(yàn)上有了可以驗(yàn)證的方法。人們管這一類實(shí)驗(yàn)叫做貝爾實(shí)驗(yàn)。
貝爾實(shí)驗(yàn)大致的方法是什么呢？你可以想象成分別審訊兩個(gè)可能有心靈感應(yīng)的雙胞胎，隨機(jī)地問他們各種五花八門的問題，讓他們回答“是”或者“否”。通過大量觀測后的結(jié)果，來驗(yàn)證他們之間是真的存在心靈感應(yīng)，還是由啥我們不知道的隱變量聯(lián)系著。
幾十年來，貝爾實(shí)驗(yàn)在世界各地、利用光子、原子、離子、超導(dǎo)比特、固態(tài)量子比特等各種系統(tǒng)，驗(yàn)證過很多很多次，無一例外地支持量子力學(xué)理論本身的完備性。
原則上說，貝爾不等式都破壞了，就可以蓋棺定論了。但是別急，實(shí)驗(yàn)上總是有漏洞的、不完美的，這就給了隱變量理論反駁的機(jī)會。比如，有部分基于光子的實(shí)驗(yàn)，由于需要用到光子探測器，那么光子探測器對光子的探測效率能保證足夠高？光子的產(chǎn)生、收集、鏈路、探測各個(gè)環(huán)節(jié)沒有漏網(wǎng)之魚？——這就是測量漏洞。還有些基于原子或離子的實(shí)驗(yàn)，雖然探測效率接近于1，排除了測量漏洞，但量子粒子之間在實(shí)驗(yàn)時(shí)間之內(nèi)理論上還可能“互相串通”——這就是局域性漏洞。
科學(xué)界一直在等待一個(gè)無漏洞的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)！
2015年，荷蘭代爾夫特技術(shù)大學(xué)的羅納德·漢森研究組聲稱在金剛石色心系統(tǒng)中完成了無漏洞的驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。首先，該小組利用swapping方法，通過兩個(gè) “光子-NV色心”產(chǎn)生的糾纏體系，把光子發(fā)到一起做貝爾態(tài)測量，將兩邊的“NV'的量子態(tài)糾纏起來，然后對NV進(jìn)行測量，色心的讀出效率高達(dá)96%，這是為了關(guān)閉探測器漏洞；另外，他們把兩個(gè)金剛石色心分別放置在相距1.3公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，探測色心狀態(tài)所需要的時(shí)間小于兩個(gè)色心直接用光通訊所需時(shí)間，這就解決了局域性漏洞。
此外，在小墨去年報(bào)道的“墨子”號科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的任務(wù)之一——量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)光子被拉開足夠大的距離，同時(shí)高精度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)保證兩地的獨(dú)立測量時(shí)間間隔足夠小，滿足了Bell不等式測量中“類空間隔”的測量要求，關(guān)閉了局域性漏洞和測量選擇漏洞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，也就是說，以超過99.9%的置信度在千公里距離上驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。
但是，你真的認(rèn)為局域的隱變量理論就這樣被證偽了嗎？對于這個(gè)問題，科學(xué)家們可沒有這么草率地下結(jié)論。他們提出了一種使人后背發(fā)涼的可能性——我們的探測方式（基矢）根本就不是隨機(jī)的，也就是說，大自然中的糾纏系統(tǒng)就像被我們分別審問的雙胞胎，其實(shí)早就知道我們要問什么，完全可以用事先準(zhǔn)備好的那套說辭來糊弄我們。
別說太詭異、不可能，量子力學(xué)本身就足夠詭異了，不是嗎？
說到這里，我們得好好理解一下“隨機(jī)”二字的概念。到底什么才是真正的隨機(jī)呢？比如，你今天出門上學(xué)，想著今天要是能偶遇男（女）神就好了，你會覺得這件事有隨機(jī)性，可是，這僅僅是你的視角，站在上帝的視角看，你的男（女）神可能正跟他（她）的另一半在萬里之外美美地旅游，你今天根本不會遇上他（她），所以，事實(shí)上，這件事并不隨機(jī)。（咦，為什么科普文也不忘虐狗？）
過去的貝爾實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)Alice和Bob在選擇觀測粒子的基矢時(shí)，大都使用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來作隨機(jī)選擇。然而，再復(fù)雜的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也是機(jī)器，嚴(yán)格按照規(guī)則行事的機(jī)器產(chǎn)生出來的隨機(jī)數(shù)是真正隨機(jī)的嗎？即使是類空間距的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，若追朔到遙遠(yuǎn)的過去，其反向光錐在過去的某一點(diǎn)總會相交的，原則上有可能存在我們無法察覺的共同的隱變量，操控測量基矢，又被粒子系統(tǒng)提前偵知，破壞了測量獨(dú)立性。
那么，真隨機(jī)數(shù)從哪里來呢？科學(xué)界能想到的真隨機(jī)數(shù)主要有三種：
第一種是量子隨機(jī)數(shù)，即出于量子本身特性產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，不過，科學(xué)家們擔(dān)心這有點(diǎn)循環(huán)論證的味道——我們做貝爾實(shí)驗(yàn)就是為了驗(yàn)證量子力學(xué)本身是否完備，量子力學(xué)本身的隨機(jī)性是真是假都不確定，是不能用它來產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的，至少邏輯上不行；
第二種是用兩個(gè)相隔超遠(yuǎn)的類星體作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，通過觀察它們發(fā)出的光的特性來決定測量方式，因?yàn)樗鼈兙嚯x超級超級遠(yuǎn)，從它們發(fā)出星光之時(shí)到實(shí)驗(yàn)探測結(jié)束，它們之間都不可能有交流，即使存在隱變量，作用時(shí)間也在實(shí)驗(yàn)開始之前很久很久，科學(xué)家已經(jīng)用這種方法做了一些探索；
第三種就是由人作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，通過人類的自由意志產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)——如果你也和科學(xué)家們一樣，認(rèn)為我們?nèi)祟悡碛凶杂梢庵镜脑挕?/p>
2016年11月30日，這樣一場由全球十萬人的自由意志作為隨機(jī)數(shù)選擇的大貝爾測試在ICFO（西班牙光子科學(xué)研究所）的協(xié)調(diào)下順利開展，相關(guān)成果于5月10日發(fā)表在《自然》雜志上。
在這個(gè)項(xiàng)目里，13個(gè)當(dāng)今量子研究處于領(lǐng)先地位的研究組根據(jù)各自擅長的實(shí)驗(yàn)手段，利用了光子、原子、超導(dǎo)等不同的體系，分別進(jìn)行了13個(gè)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)觀測了包括糾纏粒子性質(zhì)的諸多物理現(xiàn)象。
當(dāng)天，所有志愿者登陸專門設(shè)計(jì)的網(wǎng)頁游戲，通過互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)將基于個(gè)人的自由意志不斷地進(jìn)行選擇形成的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端，這些隨機(jī)數(shù)被實(shí)時(shí)和隨機(jī)地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)，這些隨機(jī)數(shù)的不可預(yù)測性，被用來控制這些研究團(tuán)隊(duì)的貝爾不等式檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，隨著參與的人數(shù)足夠多，選擇性也就會更加趨向與無偏，也就關(guān)閉了自由選擇漏洞。
在這些機(jī)構(gòu)中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合清華大學(xué)、中國科學(xué)院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和中國科學(xué)院紫金山天文臺，一起參加了大貝爾實(shí)驗(yàn)，這是唯一代表亞洲的實(shí)驗(yàn)組。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授和同事張強(qiáng)等人組成的科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)大貝爾實(shí)驗(yàn)亞洲區(qū)，他們利用接收到的自由意志產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了基于光子偏振方向的Bell實(shí)驗(yàn)，并測試了隨機(jī)數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。
但是，我們最愛的愛因斯坦怎么會輕易服輸？
嚴(yán)格來說，在這次的大貝爾測試中，局域性漏洞是沒有被完全關(guān)閉的。因?yàn)槿说姆磻?yīng)是有時(shí)間的（約幾百毫秒），在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，光通信完全可能發(fā)生在志愿者、實(shí)驗(yàn)室之間，相互作用的可能性從邏輯上來說是存在的。為了讓糾纏產(chǎn)生、基矢選擇、探測測量等事件都滿足類空間隔條件，用于選擇測量基矢的實(shí)驗(yàn)者需要相距十萬公里以上，為此，中國的潘建偉團(tuán)隊(duì)早在幾年前就提出了一個(gè)基于人類自由意志，在地球-月球之間開展貝爾不等式檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案。
2014年，潘建偉教授和同事彭承志，印娟，陳宇翱等人組成的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時(shí)間分辨探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗(yàn)，該成果于4月5日發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。為未來物理學(xué)家們在太空實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉局域性漏洞和隨機(jī)數(shù)漏洞、開展量子非定域性的終極檢驗(yàn)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。
當(dāng)然，進(jìn)一步追問，這個(gè)未來的“終極檢驗(yàn)”是“終極”的嗎？或者說，人類的意識是真的自由的嗎？會不會宇宙大爆炸的那一刻，人類的生老病死、愛恨情仇都已經(jīng)被決定了呢？——這么深邃的哲學(xué)問題，額，小墨還是洗洗睡吧。
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