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量子力学再次击败爱因斯坦:“幽灵超距作用”通过严格检验

2015.08.28

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撰文 泽亚·梅拉利

翻译 丁家琦

审校 韩晶晶


最新实验补上了此前验证量子力学“超距作用”时的漏洞,最终证明爱因斯坦错了。这一发现可帮助我们改善数据加密技术,让数据传输更安全。



约翰·贝尔(John Bell)设想了一个实验,表明大自然中并不存在如爱因斯坦描述般的“隐变量”。物理学家如今已经成功设计并完成了贝尔的实验,得出了无懈可击的结论。图片来源:CERN


对于爱因斯坦和黑客来说,这或许是个糟糕的消息。众所周知,爱因斯坦痛恨量子力学的“幽灵般的超距作用”,即操纵一个物体可以立即影响到远距离之外的另一个物体。但这种量子效应现在已经通过了迄今为止最严格的检验,被证明是量子世界与生俱来的一部分。


一些物理学家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,但在荷兰进行的这一实验彻底击毁了他们的最后希望。这一发现也可帮助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,这是一个历史性的事件。”瑞士日内瓦大学的物理学家尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)说,他没有参与这项研究。


在量子力学中,物体可以同时处于多个状态,即叠加态。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“坍缩”到一个特定的态上。此外,不同物体的性质可以发生“纠缠”,即它们的态以某种方式联系在一起: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。


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,这就违背了没有任何物体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“隐变量”,尽管我们不能观测到它,但“隐变量”预先决定了处在纠缠中的粒子的行为,使得它们看起来似乎存在相互作用。


20世纪60年代,爱尔兰物理学家约翰·贝尔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变量理论,还是处于量子力学的“幽灵作用”中。他通过计算发现,隐变量所能解释的相干性有一个上限。如果超过了那个上限,爱因斯坦的模型就一定是错误的。


1981年,法国光学研究所由阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)领导的团队率先进行了第一个贝尔实验,自此以来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”(detection loophole):由于实验并不能探测到所产生的所有光子,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。然而,对于原子来说,想把它们分隔得很远又不至于破坏纠缠就更为困难,这就产生了“通信漏洞”:如果纠缠中的原子距离过近,那么对一个原子的测量会影响另一个原子行为就并没有违背光速极限。


8月24日,荷兰代尔夫特大学的物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)领导的团队在论文预印本网站arXiv上传了他们最新的论文,报道他们实现了第一例可以同时解决探测漏洞和通信漏洞的贝尔实验。该研究组使用了一种巧妙的技术,称为“纠缠交换”(entanglement swapping),可以将光子与物质粒子的好处结合在一起。他们首先取了位于代尔夫特大学两个不同实验室中的一对非纠缠电子,彼此间距离为1.3千米,每个电子都与一个光子相纠缠,而这两个光子都被发送到了第三个地点。在第三个地点他们让这两个光子纠缠,这就导致了与光子相纠缠的两个电子也处于纠缠态。


这个过程并不是每次都能取得成功。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干性超过了贝尔极限,再一次支持了标准量子力学的观点,否定了爱因斯坦的隐变量理论。不仅如此,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。


“这真是个精巧而优美的实验。”维也纳大学的量子物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)说道。


“如果几年后这篇论文的作者与首次进行贝尔实验的阿斯佩等人得了诺贝尔奖,我一点都不会感到惊讶,”加拿大圆周理论物理研究所(Perimeter Institute)的量子物理学家马修·莱费尔(Matthew Leifer)说,“这真是太激动人心了。”


莱费尔还说,一个没有漏洞的贝尔检测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来阻止偷听的系统,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,这两个用户就能将光子转变为只有他们俩知道的密钥。由于观测任意量子系统都会破坏它们的特性,因此一旦有人试图偷听这个过程,就会产生一个可观测的效应,触发警报。


但如果这样的系统存在漏洞,尤其是观测漏洞,更为狡猾的偷听者就能找到途径偷听到信息。使用这种漏洞,恶意的公司就能售卖一些所谓的“量子纠缠加密系统”,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,量子物理学家阿图尔·埃克特(Artur Ekert)提出,在加密技术中使用贝尔测试,可以确保这个系统中的过程是完全量子性质的。然而为了达到这一目的,贝尔测试必须扫除一切黑客可能利用的漏洞,而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,身为日内瓦一家量子加密公司(名为ID Quantique)的领导者,吉辛也指出,纠缠交换这种想法在现实中会很难实现。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。


蔡林格也指出最后可能还存在着一个哲学层面上的漏洞,是贝尔自己最先发现的:有可能爱因斯坦的“隐变量”仍然存在,并操纵了实验者对测量何种性质的选择,诱使他们相信量子理论是正确的。


然而莱费尔倒不怎么担心这个“自由选择漏洞”。他说:“可能存在着某种‘超决定论’,在宇宙大爆炸时期就决定了所有的测量选择,但这种想法是无法证伪的,所以我想大多数物理学家都不会为它所困扰。”


原文链接:

http://www.nature.com/news/quantum-spookiness-passes-toughest-test-yet-1.18255




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