还记得万人挑战爱因斯坦量子物理全球大实验吗?

2018-05-10 08:21 澎湃新闻

   虞涵棋

  对量子物理感兴趣的读者可能还记得2016年11月30日的一场趣味科学盛会:大贝尔实验。该实验邀请全球范围的大量志愿者共同参与证伪贝尔不等式,打破爱因斯坦对量子物理的终极质疑。

  志愿者要做的事其实非常简单:在过关游戏中快速随机地按下“0”或者“1”,这些随机数随后被分配给全球9个研究机构进行实验,其中包括中国科学技术大学的潘建伟团队。

  为什么要选择“人肉”生成随机数呢?原来,传统的贝尔实验遭受“自由意志漏洞”的诟病。吹毛求疵的科学家们总担心实验过程不是真正的随机,冥冥之中受到某种上帝般的预设条件控制。大贝尔实验的思路是相信人类拥有真正的自由意志,即使“上帝”真的存在,成千上万个自由意志选择的随机数也足以发动一场令预设网络瘫痪的DDoS(分布式拒绝服务)攻击。

  北京时间5月10日凌晨1时,实验结果以论文的形式在世界顶级学术期刊《自然》上发表。实验共吸引了越10万名志愿者参与,在12小时内持续产生每秒逾1000比特的数据流。这些随机数被用于13个不同的贝尔实验上,有些通过光子纠缠进行,还有些通过原子系统或超导设备。大部分实验结果强有力地证伪了爱因斯坦的定域实在论,符合量子力学理论。

  10万个普通人,是如何成功挑战爱因斯坦的呢?

  “远程闹鬼”与爱因斯坦定域实在论

  科学家们在量子力学的世界中,发现了许多奇妙的现象,比如叠加态。一个光子可以同时处于水平偏振和垂直偏振两个状态的叠加,而一旦对该光子的状态进行测量,它就会随机坍缩到其中一种状态。

  爱因斯坦反感这种“上帝掷骰子”一般的解释,他认为,测量结果受到某种未知的“隐变量”的影响,被称为爱因斯坦定域实在论。

  所谓定域,指的是信息传播的速度无法超过光速,一个位置的行动无法对其他位置产生瞬间影响;所谓实在论,指的是我们所观察到的现象都对应着物理实在的特性值,无论我们是否去观测。

  为了证明量子力学是一种不完备的理论,三个物理学家爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)假设了一种匪夷所思的实验,被称为EPR佯谬:

  处于纠缠态的两个光子A和B,不论相距多远都存在一种关联,其中光子A状态发生改变(比如人们对其进行观测),光子B的状态会瞬时发生相应改变。比方说,如果A的偏振态是“向上”的,B的偏振态必然是“向下”的。

  用爱因斯坦本人的话来说,这简直是“远程闹鬼”。为此,他与另一位伟大的物理学家玻尔争论了半个世纪。

  1964年,爱尔兰物理学家贝尔想出了一个方法可以作为爱因斯坦和玻尔之间的裁判——“贝尔不等式”,如果“隐变量”真的存在,同时测量两个分隔的粒子时,其结果的可能关联程度应该遵从某个严格的限制。如果测量结果显示贝尔不等式不成立,爱因斯坦对于定域实在论的执着就是错的。

  防止“隐变量”串通作弊

  后来的实验逐渐证明,“闹鬼”的量子纠缠并非只是匪夷所思的假设,而是真实存在的现象。但严格来说,距离太近的量子纠缠存在“局域性漏洞”,不足以证伪贝尔不等式。因为,两个光子之间可能“串通作弊”,通过某种不大于光速的通讯通道来传递彼此的状态信息。

  2015年,荷兰Delft技术大学的科学家们完成了一个号称没有漏洞的实验,在两个距离1.3公里的金刚石色心系统间证伪了贝尔不等式。两个色心直接用光通讯所需时间大概4.27微秒,而完成一次实验的时间为4.18微秒,“串通作弊”的可能性完全被堵上了。

  不过,挑剔的科学家们再次找到了一个新的漏洞:“自由意志漏洞”。这个漏洞的意思是:实验中要用多个随机数发生器产生许多随机数。然而,凭什么相信随机数发生器产生的就是真的随机数呢?又怎么保证这些随机数没有时间的关联呢?

  为此才有了全球招募志愿者的贝尔大实验,将量子力学的尊严交付给人类的自由意志。

  登月做贝尔实验

  有意思的是,这次贝尔大实验或许解决了“自由意志漏洞”,但“局域性漏洞”又回来了。这是因为,对于人类需要的反应时间(约几百毫秒)而言,所有的参与者都在地球上,距离太近了。只有排除了任何不大于光速的“隐变量”,才能证明量子纠缠确实是“远程闹鬼”。

  答案可能要去太空中寻找。

  潘建伟团队曾利用世界第一颗量子科学卫星“墨子号”,在星地之间创下了量子纠缠分发距离的记录,达到1200千米。下一步,他们计划将地月间量子纠缠作为中国登月工程的一环。

  潘建伟的博士导师、国际量子物理学泰斗蔡林格(Anton Zeilinger)的选择则是遥远的星光。2017年,蔡林格使用两颗恒星发生的光的颜色作为随机数进行贝尔实验。这两颗恒星分别在600光年和1900光年之外。如果宇宙间真的有什么能影响量子纠缠的“隐变量”,那起码要在600年前就开始预谋。

责编:李文瑶
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