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朋友们，你们知道爱因斯坦和玻尔曾经有过一场论战么？ 借助咱们的“墨子号”科学实验卫星，科学家在国际上首次实现了空间尺度上量子纠缠分发，为玻尔的胜利加上了一枚重量级砝码。 今天为大家梳理一下这场持续了一百年的论战是怎么回事。 1927年的索尔维物理学会议，图中的每个人当时正为今天的大贝尔实验所要验证的世界观进行激烈辩论 19和20世纪交会之际，一场量子物理学革命从人们对经典理论的满足感中隐约萌发，并迅速以狂风骤雨一般的态势席卷了世界上最顶级科学家的头脑。随着量子理论的发展和完善，微观世界里很多经典理论不能解释的现象得到了很好的解决，大量实验事实支持量子力学的合理性。但是，对于量子力学理论本身究竟是不是完备的，不同的科学家阵营有着不同的理解。因为量子理论实在太反直觉了。 比如，微观世界里两个粒子的“纠缠”，就非常令人费解——当两个粒子存在纠缠，即使以类空间隔进行关联测量，也会表现出某种非经典意义下的关联。也就是说，两个粒子存在着跨越时空的诡异的互动。这在经典世界看来简直太不合理了。量子物理学家、日内瓦大学的Nicolas Gisin教授曾经做过一个生动的比喻： 我们想象一下，Alice和Bob两个人住的很远，彼此之间没有通信，他们每天都去各自家门口的杂货店买食品，然后我们居然发现，他们两人每晚的菜单总是相同。一般情况下，你会给一个什么样的解释呢？要么，其中的一个人偷偷抄下了另一个人的菜单；要么，两家杂货店早就串通一气，每一晚两家店都卖同样的东西，Alice和Bob的菜单因此被决定了。 不管哪种解释吧，前者的直接影响也好，后者的间接影响也罢，都是在空间中从一点到下一点连续传递的，物理学上叫做“局域的”。如果你也觉得无非就这两种解释了，那么，恭喜你，爱因斯坦也是这么想的。 可是，以玻尔为代表的科学家不认同这两种解释，他趋向于第三种——量子理论本身就是完备的，Alice和Bob之间就是存在超越时空的瞬间的联系，根本不需要什么偷看菜单、杂货店串通这类手段，总之，Alice和Bob是真爱，没有什么能把他们分开！ 1927年的索尔维物理学会议上，两派谁也说服不了谁，直到1935年，爱因斯坦和Podolsky、Rosen共同发表了一篇文章，理论上论证了量子理论并不是完备的。爱因斯坦认为，你要非说一个物理理论是完备的，必须符合定域实在论，它有两个要求：第一，两个事件不能跨越类空间隔发生因果关系；第二，物理量是客观实在的，应当具有确定的数值。而根据定域实在论推导出的结果，与量子理论观点中的不确定原理是矛盾的，所以物理学界管爱因斯坦的这番推理叫做“EPR佯谬”。在爱因斯坦看来，玻尔那种什么类空间隔的两个系统之间还能相互影响的描述，简直太荒谬了。 虽然实验上，微观系统表现出数值上的不确定性，但是爱因斯坦认为，那只不过是因为某种不为人知的隐变量存在，而并不是真正意义上的随机——因为，你一定也听过那句话，“上帝不掷骰子。” 1964年，Bell基于爱因斯坦的定域实在论和隐变量假设，推导出一个不等式，基于隐变量和定域实在论的理论会遵守这个等式，而如果世界真的遵从玻尔的那套“认为量子理论本身是完备的”说法，这个不等式是很容易被破坏的。后来，Bell不等式还出现了很多实验上更好用的推广形式。 自此，关于量子力学本质的大讨论，终于在实验上有了可以验证的方法。人们管这一类实验叫做贝尔实验。 贝尔实验大致的方法是什么呢？你可以想象成分别审讯两个可能有心灵感应的双胞胎，随机地问他们各种五花八门的问题，让他们回答“是”或者“否”。通过大量观测后的结果，来验证他们之间是真的存在心灵感应，还是由啥我们不知道的隐变量联系着。 几十年来，贝尔实验在世界各地、利用光子、原子、离子、超导比特、固态量子比特等各种系统，验证过很多很多次，无一例外地支持量子力学理论本身的完备性。 原则上说，贝尔不等式都破坏了，就可以盖棺定论了。但是别急，实验上总是有漏洞的、不完美的，这就给了隐变量理论反驳的机会。比如，有部分基于光子的实验，由于需要用到光子探测器，那么光子探测器对光子的探测效率能保证足够高？光子的产生、收集、链路、探测各个环节没有漏网之鱼？——这就是测量漏洞。还有些基于原子或离子的实验，虽然探测效率接近于1，排除了测量漏洞，但量子粒子之间在实验时间之内理论上还可能“互相串通”——这就是局域性漏洞。 科学界一直在等待一个无漏洞的贝尔不等式验证实验！ 2015年，荷兰代尔夫特技术大学的罗纳德·汉森研究组声称在金刚石色心系统中完成了无漏洞的验证贝尔不等式的实验。首先，该小组利用swapping方法，通过两个 “光子-NV色心”产生的纠缠体系，把光子发到一起做贝尔态测量，将两边的“NV'的量子态纠缠起来，然后对NV进行测量，色心的读出效率高达96%，这是为了关闭探测器漏洞；另外，他们把两个金刚石色心分别放置在相距1.3公里的两个实验室，探测色心状态所需要的时间小于两个色心直接用光通讯所需时间，这就解决了局域性漏洞。 此外，在小墨去年报道的“墨子”号科学实验卫星的任务之一——量子纠缠分发实验中，两个光子被拉开足够大的距离，同时高精度的实验技术保证两地的独立测量时间间隔足够小，满足了Bell不等式测量中“类空间隔”的测量要求，关闭了局域性漏洞和测量选择漏洞。实验结果表明，以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，也就是说，以超过99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学的正确性。 但是，你真的认为局域的隐变量理论就这样被证伪了吗？对于这个问题，科学家们可没有这么草率地下结论。他们提出了一种使人后背发凉的可能性——我们的探测方式（基矢）根本就不是随机的，也就是说，大自然中的纠缠系统就像被我们分别审问的双胞胎，其实早就知道我们要问什么，完全可以用事先准备好的那套说辞来糊弄我们。 别说太诡异、不可能，量子力学本身就足够诡异了，不是吗？ 说到这里，我们得好好理解一下“随机”二字的概念。到底什么才是真正的随机呢？比如，你今天出门上学，想着今天要是能偶遇男（女）神就好了，你会觉得这件事有随机性，可是，这仅仅是你的视角，站在上帝的视角看，你的男（女）神可能正跟他（她）的另一半在万里之外美美地旅游，你今天根本不会遇上他（她），所以，事实上，这件事并不随机。（咦，为什么科普文也不忘虐狗？） 过去的贝尔实验中，当Alice和Bob在选择观测粒子的基矢时，大都使用随机数发生器来作随机选择。然而，再复杂的随机数发生器也是机器，严格按照规则行事的机器产生出来的随机数是真正随机的吗？即使是类空间距的量子随机数发生器，若追朔到遥远的过去，其反向光锥在过去的某一点总会相交的，原则上有可能存在我们无法察觉的共同的隐变量，操控测量基矢，又被粒子系统提前侦知，破坏了测量独立性。 那么，真随机数从哪里来呢？科学界能想到的真随机数主要有三种： 第一种是量子随机数，即出于量子本身特性产生的随机数，不过，科学家们担心这有点循环论证的味道——我们做贝尔实验就是为了验证量子力学本身是否完备，量子力学本身的随机性是真是假都不确定，是不能用它来产生真随机数的，至少逻辑上不行； 第二种是用两个相隔超远的类星体作为随机数发生器，通过观察它们发出的光的特性来决定测量方式，因为它们距离超级超级远，从它们发出星光之时到实验探测结束，它们之间都不可能有交流，即使存在隐变量，作用时间也在实验开始之前很久很久，科学家已经用这种方法做了一些探索； 第三种就是由人作为随机数发生器，通过人类的自由意志产生的随机数——如果你也和科学家们一样，认为我们人类拥有自由意志的话。 2016年11月30日，这样一场由全球十万人的自由意志作为随机数选择的大贝尔测试在ICFO（西班牙光子科学研究所）的协调下顺利开展，相关成果于5月10日发表在《自然》杂志上。 在这个项目里，13个当今量子研究处于领先地位的研究组根据各自擅长的实验手段，利用了光子、原子、超导等不同的体系，分别进行了13个实验。这些实验观测了包括纠缠粒子性质的诸多物理现象。 当天，所有志愿者登陆专门设计的网页游戏，通过互联网和手机无线网络将基于个人的自由意志不断地进行选择形成的二进制随机数记录在互联网云端，这些随机数被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队，这些随机数的不可预测性，被用来控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验，随着参与的人数足够多，选择性也就会更加趋向与无偏，也就关闭了自由选择漏洞。 在这些机构中，中国科学技术大学联合清华大学、中国科学院微系统与信息技术研究所和中国科学院紫金山天文台，一起参加了大贝尔实验，这是唯一代表亚洲的实验组。中国科学技术大学的潘建伟教授和同事张强等人组成的科研团队负责大贝尔实验亚洲区，他们利用接收到的自由意志产生的随机数，在实验室进行了基于光子偏振方向的Bell实验，并测试了随机数之间的关联。 但是，我们最爱的爱因斯坦怎么会轻易服输？ 严格来说，在这次的大贝尔测试中，局域性漏洞是没有被完全关闭的。因为人的反应是有时间的（约几百毫秒），在这个时间内，光通信完全可能发生在志愿者、实验室之间，相互作用的可能性从逻辑上来说是存在的。为了让纠缠产生、基矢选择、探测测量等事件都满足类空间隔条件，用于选择测量基矢的实验者需要相距十万公里以上，为此，中国的潘建伟团队早在几年前就提出了一个基于人类自由意志，在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。 2014年，潘建伟教授和同事彭承志，印娟，陈宇翱等人组成的科研团队设计发展了GHz亮度的纠缠源和高时间分辨探测系统，实现了超高损耗下的人类自由意志参与的贝尔不等式检验，该成果于4月5日发表在《物理评论快报》上。为未来物理学家们在太空实验中关闭局域性漏洞和随机数漏洞、开展量子非定域性的终极检验迈出了坚实的一步。 当然，进一步追问，这个未来的“终极检验”是“终极”的吗？或者说，人类的意识是真的自由的吗？会不会宇宙大爆炸的那一刻，人类的生老病死、爱恨情仇都已经被决定了呢？——这么深邃的哲学问题，额，小墨还是洗洗睡吧。 |
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