作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2015/9/9 9:53:28
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量子论“幽灵”通过测试:让爱因斯坦“出局”

 

John Bell设想了一个实验,表明大自然中并不存在爱因斯坦描述的“隐藏变量”。图片来源:CERN

对于阿尔伯特·爱因斯坦和黑客来说,这都是糟糕的一天。迄今为止实施的量子理论最严苛的测试证实,“幽灵般的超距离作用”是量子世界的固有部分。

通俗地说,由两个粒子构成的量子系统,对其中一个粒子的测量,会干扰另一个处于遥远空间的粒子,其所产生的现象被称为非局域性效应。爱因斯坦认为,在对第一个粒子进行外部观测时,另一个粒子在没有直接影响的情况下,也会“得知”第一个粒子的信息并作出反应,并将其描述为“幽灵般的超距作用”。

在荷兰进行的这一实验彻底击毁了一些物理学家的最后希望。他们认为,标准量子力学过于违背直觉,并另外发展了一些更符合直觉的微观世界模型。但这一发现或有助于量子工程师研究出新一代超安全加密设备。

“从基础物理学的角度来看,这是一个历史性事件。”瑞士日内瓦大学物理学家Nicolas Gisin说。

在量子力学中,物体可以同时处于多个状态:例如,一个原子可以同时处于两个位置,或者拥有相反方向的自旋,而对物体进行测量会迫使它“缩”到一个特定的态上。此外,不同物体的性质可以发生“纠缠”,即它们的态联系在一起:当一个物体的性质被测量时,与它纠缠的另一个物体的性质也会改变。

但这个想法是爱因斯坦所痛恨的,因为这似乎意味着这种“幽灵般的”相互作用甚至可以在距离很远的粒子之间即时传播,这违背了没有任何物体的运动速度可以超越光速这条普适原则。他提出,量子粒子的性质其实在测量之前就已经决定了,被称为“隐藏变量”。尽管这些变量无法观测到,但它们预先决定了处在纠缠中的粒子的行为。

20世纪60年代,爱尔兰物理学家John Bell提出了一种检验方法,可以区分出粒子行为到底是符合爱因斯坦的隐藏变量理论,还是处于量子力学的“幽灵作用”中。他计算发现,隐藏变量所能解释的相关性有一个最大值。如果超过了这个值,爱因斯坦的模型就一定是错误的。

1981年,法国帕莱索光学研究所Alain Aspect领导的团队率先进行了第一个Bell实验。从那以后出现了越来越多的实验,所有的实验都支持幽灵假说,但每个实验都有一些漏洞,以至于物理学家一直没能让爱因斯坦的观点彻底出局。使用纠缠光子的实验经常出现一种“探测漏洞”:由于实验并不能探测到产生的所有光子,有时候甚至会漏掉80%的光子。因此实验者只能假设他们所探测到的光子性质能够代表整个光子群体。

为了避免产生“探测漏洞”,物理学家通常会使用比光子更易跟踪的粒子,例如原子。但对于原子来说,想把它们分隔得很远又不破坏纠缠则更困难。这就带来了“通信漏洞”:如果纠缠中的原子距离过近,那么原则上讲,对一个原子的测量会影响另一个原子,但并没有违背光速极限理论。

8月24日,荷兰代尔夫特大学物理学家Ronald Hanson与同事在arXiv上传了最新论文,称他们进行了第一个可以同时解决“探测漏洞”和“通信漏洞”的Bell实验。该团队使用了一种称为“纠缠交换”的巧妙技术,可以将光子与物质粒子的优点结合在一起。研究人员首先获取了代尔夫特大学不同实验室的一对非纠缠电子,它们彼此间距离为1.3千米。每个电子都分别与一个光子相纠缠,然后这两个光子都被送到第三个地点。在这里,这两个光子相互纠缠,这就造成了与光子相纠缠的两个电子也处于纠缠态。

但这个过程并非每次都能成功。在9天内,该小组总共产生了245对互相纠缠的电子,最终测量结果表明两个电子之间的相关性超过了Bell极限,再一次支持了标准量子力学的观点。此外,由于电子很容易检测,“探测漏洞”就不是问题了,而两个电子之间的距离又足够远,也填补了“通信漏洞”。

“这是个精巧而优美的实验。”奥地利维也纳大学量子物理学家Anton Zeilinger说。

“如果几年后这篇论文的作者与首次进行实验的Aspect等人得了诺贝尔奖,我一点都不会感到惊讶。”加拿大圆周理论物理研究所量子物理学家Matthew Leifer说,“这真是太激动人心了。”

Leifer还表示,一个没有漏洞的Bell实验对量子加密技术也有深远意义。已经有很多公司在出售使用量子力学原理防止偷听的系统。这些系统会产生处于纠缠态的光子对,将其中一个光子发送给第一个用户,另一个光子发送给第二个用户。然后,这两个用户能将光子转变为只有他们知道的密钥。由于对任意量子系统的观测都会破坏它们的特性,因此一旦有人试图偷听这个过程,就会产生一个显著效应,触发警报。

但这些漏洞,尤其是观测漏洞,为更狡猾的偷听者留下了一扇门。使用这种漏洞,公司就能售卖一些恶意系统,让用户以为他们的粒子处在纠缠态,而事实上公司可以暗中监视他们的信息。1991年,量子物理学家Artur Ekert就提出,在加密技术中使用Bell实验,可以确保这个系统使用真实的量子过程。然而Bell实验必须扫除一切黑客可能利用的漏洞。Zeilinger指出,代尔夫特大学的实验则“最终证明了量子加密技术可以做到完全安全”。

不过,这种纠缠交换在现实中很难实现。该研究组花了一个多星期才产生了几百个纠缠电子对,而一个量子密钥就需要每分钟处理几千比特的数据。Zeilinger也指出,可能还存在一个哲学层面上的漏洞:有可能爱因斯坦的隐藏变量仍然存在,并操纵了实验者对测量性质的选择,诱使他们相信量子理论是正确的。

Leifer倒不怎么担心这个“自由选择漏洞”。“可能存在某种‘超决定论’,在宇宙大爆炸时期就决定了所有的测量选择。”他说,“但我们无从证实,所以我想大多数物理学家都不会为它所困扰。”(张章)

《中国科学报》 (2015-09-09 第3版 国际)
 
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