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在一项新的研究中，研究人员展示了创造性的策略，以摆脱长期混淆量子力学测试的漏洞。通过他们的创新方法，研究人员能够证明两个间隔超过180米（590英尺）的粒子之间的量子相互作用，同时消除了过去11年中共同事件影响其相互作用的可能性。 解释这些实验结果的论文将于9月15日至19日在美国华盛顿特区举行的光学+激光科学前沿（FIO + LS）会议上发表。 量子现象正在引导探索计算，加密，传感等领域的应用，但研究人员还没有完全理解它们背后的物理学。这项新工作可以通过改进探测量子力学的技术来帮助推进量子应用。 物理学家长期以来一直在努力解决关于管理我们世界的力量的不同观点。虽然量子力学理论逐渐超越了经典力学，但量子力学的许多方面仍然是神秘的。在20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔提出了一种测试称为贝尔不等式的量子力学的方法。 这个实验是两方，绰号为“爱丽丝”和“鲍勃”的光子一类的粒子，对位于相距很远但通过量子纠缠相互连接的两方粒子进行测量。 如果世界确实完全由量子力学支配，那么这些远程粒子将通过量子相互作用的非局部相关性来控制，这样测量一个粒子的状态会影响另一个粒子的状态。然而，一些替代理论认为粒子似乎只是相互影响，但实际上它们是由经典的，而不是量子的物理学背后的其他隐藏变量连接起来的。 贝尔定理的实验验证示意图 对于像光子一类的粒子，贝尔定理的实验验证示意图。不稳定粒子的衰变会生成单态粒子对，其两颗粒子会分别朝着相反方向移动。假设，在与衰变地点相隔一段距离的两个地点，分别以各种不同夹角角度θ任意设定为实验参数，然后测量这两颗粒子的自旋，则得到的数据可以计算出这系统的纠缠性质。 贝尔不等式为：|Pxz-Pzy|≤1+Pxy。其中，Ax为正的意思为在x轴上观察到A量子的自旋态为正，而Pxz代表Ax为正和Bz为正的相关性。 在经典力学中，此不等式成立。在量子世界中，此不等式却不成立。 贝尔定理意味着，阿尔伯特·爱因斯坦所主张的定域性原理，其预测不符合量子力学理论。由于很多实验的结果与量子力学理论的预测一致，显示出的量子关联远强过定域隐变数理论所能够解释，所以，物理学者拒绝接受定域实在论对于这些实验结果的解释。陷入找不到满意解答的窘境，物理学者只能无可奈何地勉强承认这是一种非因果关系的超光速效应。 研究人员已经进行了许多实验来测试贝尔的不等式。然而，实验并不总是完美的，并且存在可能导致误导结果的已知漏洞。虽然大多数实验都强烈支持存在量子相互作用的结论，但这些漏洞仍然存在研究人员可能无意中影响隐藏变量的可能性，因此留下了怀疑的余地。 中国科学技术大学李明翰博士 中国科学技术大学科学家，该论文第一作者李明翰博士和他的同事展示了弥合这些漏洞的方法，并增加了量子力学控制两个粒子之间相互作用的证据。 李博士表示：“我们实现了一个无漏洞的贝尔测试，其测量设置由远程宇宙光子决定。因此我们以高可信度验证了量子力学的完整性。”中国科学技术大学李明汉说。是该论文的第一作者。 无漏洞贝尔定律验证实验 研究人员创造了纠缠光子对，并将每对中的两个光子分布到两个相反方向的测量站。在每个测量站，望远镜接收来自所选宇宙辐射源的光子，该宇宙辐射源距离地球至少11光年。宇宙光子检测信号产生随机位，用于无漏洞Bell测试的测量设置选择。在这个实验中，研究人员关闭了检测和局部漏洞，并推迟了时间限制。 他们的实验装置包括三个主要部分：一个定期发出成对纠缠光子的装置和两个测量光子的装置。用贝尔的不等式来说，这些代表爱丽丝和鲍勃。第一个测量站距离光子对源93米，第二个站距离相反方向90米。 纠缠光子通过单模光纤传播到测量站，在那里用普克尔斯盒测量它们的偏振态，并用超导纳米线单光子探测器探测光子。 在设计他们的实验时，研究人员试图克服三个关键问题：损失和噪声使检测不可靠（检测漏洞）的想法，任何影响爱丽丝和鲍勃的测量选择的通信都会使测量成为可能的局部漏洞，并且认为不是“真正自由和随机”的测量设置选择使得结果能够由共同过去的隐藏原因（选择权自由漏洞）控制。 为了解决第一个问题，李博士和他的同事通过比较光子行程开始和结束时的测量结果，证明了它们的设置达到了足够低的损耗和噪声水平。为了解决第二个问题，他们建立了实验装置，在测量设置选择事件之间进行了类似空间的分离。为了解决第三个问题，他们根据11年前的宇宙光子行为进行了测量设置选择，这提供了很高的信心，即粒子在过去11年中共享的任何内容都没有产生影响结果的隐藏变量。 将理论计算的预测与实验结果相结合，研究人员能够证明纠缠光子对之间的量子相互作用具有高度的置信度和保真度。因此，他们的实验提供了强有力的证据，证明量子效应而非隐藏变量是粒子行为的背后。 |
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