量子论“幽灵”通过测试:让爱因斯坦“出局”
时间:2017-12-08

  量子“鬼”通过测试:让爱因斯坦“走出去” - 新闻 - 科学网

  约翰·贝尔设想了一个实验,表明爱因斯坦本质上没有描述隐藏的变量。图片来源:CERN

  对于爱因斯坦和黑客来说,这是一个糟糕的一天。迄今为止,对量子理论进行的最严格的检验证实,鬼魅般超夸克是量子世界的内在组成部分。

  简而言之,由两个粒子组成的量子体系可以在一个遥远的空间中与另一个粒子发生干涉,从而产生一种称为非局域效应的现象。爱因斯坦认为,在第一个粒子的外部观察中,另一个粒子会知道第一个粒子而没有直接的影响,并且对它起反应,并将它描述为一个远离角色的幽灵。

  荷兰的这个实验彻底破坏了一些物理学家的最后希望。他们认为,标准量子力学太违反直觉,否则就会形成一些更直观的微观世界模型。不过,这个发现还是帮助量子工程师开发出新一代的超安全加密设备。

  从物理学的角度来看,这是一个历史性的事件。日内瓦大学瑞士物理学家尼古拉斯·吉辛说。

  在量子力学中,物体可以同时处于多个状态:例如,一个原子可以同时在两个位置上,或者在相反的方向上有一个自旋,测量一个物体迫使它缩小到一个特定的状态。另外,不同物体的性质可能会纠缠在一起,也就是说,它们的状态是连在一起的:当一个物体的性质被测量时,与之纠缠的另一个物体的性质就会改变。

  但是这个想法是爱因斯坦讨厌的,因为这似乎意味着这种幽灵般的相互作用甚至可以在很远的粒子之间瞬间传播,相反,没有任何物体能够比光速普适原理移动得更快。他提出量子粒子的性质实际上是在测量之前决定的,被称为隐变量。虽然这些变量不能被观察到,但它们预先确定了纠缠中粒子的行为。

  在二十世纪六十年代,爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)提出了一个测试方法来区分粒子行为是爱因斯坦的隐变量理论还是量子鬼力学,他计算出隐变量可以解释相关性有一个最大值,如果超过这个值,模型必须是错的。

  1981年,由法国Palaisau光学研究所Alain Aspect领导的研究小组开创了第一个贝尔实验。从那时起,越来越多的实验支持了鬼假说,但是每一个实验都有一些漏洞,使得物理学家无法完全消除爱因斯坦的观点,使用纠缠光子的实验经常会出现一个检测孔:即使实验无法检测到所有产生的光子,有时也会有80%的光子被遗漏,因此实验者只能假设他们检测到的光子属性代表了整个光子群。

  为了避免检测漏洞,物理学家经常使用比光子更容易跟踪的粒子,比如原子。但是对于原子来说,把它们分开很难,而不会破坏纠缠。这就产生了一个沟通漏洞:如果纠缠原子太靠近,那么原则上一个原子的测量会影响另一个原子,但是这并不违反光速极限理论。

  8月24日,荷兰代尔夫特大学的物理学家罗纳德·汉森和她的同事们把最新的论文上传到arXiv,声称他们是第一个解决探测和通信漏洞的贝尔实验。该团队使用了一种称为纠缠交换的巧妙技术,将光子的好处与材料粒子结合起来。研究人员首先从Delft大学的不同实验室获得一对距离彼此1.3公里的非纠缠电子。每个电子分别与一个光子纠缠,然后两个光子被发送到第三个地方。这里,两个光子相互缠绕,这导致与光子缠绕的两个电子也处于纠缠状态。

  但是这个过程并不总是成功的。在共计245对电子在9天内相互纠缠,最后的测量表明,两个电子之间的相关性超过了贝尔的极限,并再次支持标准量子力学的观点。电子很容易被探测到,探测到这些空洞并不是一个问题,两个电子之间的距离已经足够远了,以填补沟通的空白。

  这是一个微妙而美丽的实验。奥地利维也纳大学的量子物理学家安东·蔡林格说。

  如果本文的作者和诺贝尔奖获得者Aspect等人的话,我不会感到惊讶。加拿大环境理论物理研究所的量子物理学家Matthew Leifer说,这非常令人兴奋。

  Leifer还表示,完美无缺的贝尔实验对量子密码学有着深远的影响。已经有很多公司在销售使用量子力学来防止窃听的系统。这些系统产生处于纠缠状态的光子对,将光子中的一个发送给第一用户,将另一个光子发送给第二用户。然后,这两个用户可以把光子变成他们知道的唯一的光子。由于任何量子系统的观测都会削弱它们的性质,所以一旦有人试图偷听这个过程,就会产生一个重大的影响,触发这个警报。

  但是,这些漏洞,尤其是观察漏洞,为更多的窃听者留下了一扇门。利用这个漏洞,企业可以出售恶意系统,让用户假定他们的粒子纠缠在一起,事实上公司可以秘密地监控他们的信息。 1991年,量子物理学家Artur Ekert提出在密码学中使用贝尔实验将确保系统使用真正的量子过程。但是,贝尔实验室必须清除所有黑客可能利用的漏洞。 Zeilinger指出,代尔夫特大学的实验已经证明量子密码是完全安全的。

  但是,这种纠缠交换在现实中很难实现。团队花费了一个多星期的时间来生产数百个纠缠对,一个量子密钥需要每分钟处理几千个比特。蔡林格还指出,可能存在一个哲学上的缺陷:爱因斯坦的隐藏变量仍然存在,操纵实验者选择测量属性来诱使他们相信量子论是正确的。

  Leifer并不担心这个自由选择。大爆炸期间可能有某种超决定论决定了所有测量选项。他说,但我们不能确认,所以我认为大多数物理学家不会被它所困扰。 (张章)

  “中国科学”(2015-09-09第3版国际)

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  自然报告(英文)