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从最多和最遥远的光子验证量子纠缠

二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦在生前和身后是一位备受争议的科学人物,一些科学家和科学史家认为他的物理理论对了,另一些科学家和科学史家则认为他的物理理论错了。我们从近几十年的天文观测和物理实验成果中发现,几乎所有与广义相对论有关的天文观测成果都无例外地证实“爱因斯坦对了”,几乎所有与量子论有关的物理实验都无悬念地证实“爱因斯坦错了”。爱因斯坦对引力现象进行了非经典论、或广义相对论的解释,现代天文观测成果基本证明了对引力现象的相对论解释是正确的;爱因斯坦对量子效应进行了经典理论、或牛顿时空观的解释,现代物理实验结果基本证明了对量子效应的经典物理解释是错误的。

麻省理工学院、维也纳大学等研究机构的物理学家在一项“最遥远光子”的实验中为量子纠缠的非经典解释提供了迄今最强有力的证据,他们的实验利用了遥远的天体——类星体发出的古老光线。从地球上看的类星体像一颗发出明亮光线的恒星,类星体实际上是一个能量巨大、十分活跃的早期星系核,核心的超大质量黑洞被周围的恒星群覆盖。麻省理工和维也纳大学的科学团队之前使用600年前的光子来检验它们之间的关联,团队成员在600年前发生的光子纠缠中找到量子力学的解释,他们排除了经典力学解释的可能,对量子纠缠现象的量子和经典力学的解释符合哲学物理论的“差异原理”,例如:经典物理的解释强调量子相互作用的“现实性”、“定域性”、“隐变量”,而量子物理的解释强调量子相互作用的“非现实性”、“非定域性”、“非隐变量”。科学团队在成功的基础上将古老光子从600年前延伸到78亿年前和122亿年前发光的类星体,测量600光年以外的恒星发出的光子,团队成员使用了小型的光学望远镜,而观测78亿和122亿光年以外的类星体发出的光子,团队成员使用了大型的光学望远镜,他们测量了3万对光子的物理参数,从中分析遥远类星体发出的光子和它们的相关性。

科学团队从遥远光子对发现的关联性远远超过“贝尔不等式”设定的极限值,这意味着如果对光子纠缠的经典性解释正确,那么这种经典安排的机制必然发生在古老类星体发出这些光子之前,以往的观测实验将古老光子发生纠缠的时间推到600年之前,现在的观测实验将纠缠时间推到78亿年和122亿年之前。麻省理工学院的物理学家阿兰·古斯是发表在《自然》杂志上论文的共同作者之一,他根本不相信一场物理学的“阴谋论”能够发生在一百多亿年以前,遥远类星体产生的光子关联性不可能有经典性的解释,考虑到地球的年龄大约有45亿年,任何与量子力学不同的替代性机制就会发生在地球的形成之前。物理学家约翰·贝尔在20世纪60年代提出著名的“贝尔不等式”,他计算了一个理论的极限值,如果超过了这一极限值,那么对粒子的相关性不能应用经典物理的解释,取而代之的是量子物理的描述。

有一些物理学家强烈质疑“贝尔法则”对量子相关性的判定标准,他们提出了验证贝尔不等式“漏洞”的测试,在贝尔法则的“三个漏洞”中,最难验证的是一个被物理学家称之为“选择自由”的漏洞,它指的是一些隐蔽的经典物理变量可能影响实验人员的选择,有一种实验结果“事先安排”的可能,让本来是经典的物理法则表现为一种量子的物理法则,麻省理工大学和维也纳大学的科学团队对遥远光子的检测就是为了消除贝尔法则某种“选择自由”的漏洞。科学团队将他们的实验定义为“无漏洞贝尔检测”,对遥远类星体发射光子的关联性检测表明,爱因斯坦对量子纠缠定域性的经典解释是错误的,他一直反对和嘲讽对量子纠缠现象作非定域性的量子解释,而将量子纠缠的非经典解释称之为“诡异的超巨作用”,一对相互纠缠的粒子即使被分割成两个独立的粒子,无论它们之间的距离多么遥远,比如:一个在银河系的这端,另一个在银河系的那端,其中一个粒子物理参数的改变能够同时影响另一个粒子,或者在纠缠粒子之间产生了诡异的“协同作用”,很多站在爱因斯坦立场上的科学家不相信粒子之间有如此怪异、随机的联动。

中科大多光子的量子实验与麻省理工、维也纳大学遥远光子的量子实验“并驾驱”、“相得益彰”。中科大的潘建伟团队近几年在攻关实验中不断刷新光量子比特纠缠数目的世界纪录,他们“领跑”了多光子纠缠的量子实验,潘建伟团队实际上是在不断地超越“自我”,连续打破团队自身创下的记录,他们已经率先实现了五光子、六光子、八光子、十光子的纠缠,最近在国际上首次完成了18个光量子比特的纠缠,实现了到目前为止最大数目光子纠缠态的制备,这项成果可以应用到大尺度、高效率的量子信息技术。通过调控多个光子的偏振、路径和轨道角动量三个自由度参数,潘建伟团队实现了更多数量的光子纠缠。

中科大和麻省理工、维也纳大学科学团队最近取得的突破性成果肯定了量子力学“哥本哈根学派”的解释,否定了量子力学爱因斯坦和薛定谔学派的解释。爱因斯坦和薛定谔都是量子力学的创立者,需要指出的是,两位科学巨匠不是反对量子力学本身,而是反对量子力学以波尔为代表的哥本哈根学派的解释,薛定谔最早提出“量子纠缠”概念,他用这个词条来嘲笑哥本哈根学派对量子行为解释的可笑之处和荒诞性,人们早已忘记薛定谔提出的带有挖苦和贬义的词条,却非常奇特地记住了薛定谔的思想实验——“薛定谔的猫”。爱因斯坦同样指出了波尔对量子行为解释诡辩的不合理性,他为此提出著名的“EPR佯谬”,希望通过消除波尔解释的悖论来奠立量子行为的经典解释。贝尔在1964年创建“贝尔不等式”的目的也是为了揭示量子行为的怪诞,消解量子理论的悖论性,然而事与愿违,一系列的量子实验证明了贝尔不等式并不存立。

二十世纪和二十一世纪的伟大物理实验似乎都与爱因斯坦的名字有关,这是爱因斯坦思想的诡异、神奇之处,肯马和否定他的相对论和量子论都可能获得物理诺奖。中科大和麻省理工、维也纳大学科学团队双双迈出了赢得物理诺奖的步伐,一个在最多的光子数目,一个在最古老的光子实验项目证实了量子纠缠的发生,或者两种类型的量子实验符合哲学效果论的“等效原理”。作为关心科学进步的中国网民,我们希望潘建伟团队首先摘得物理学诺奖,中科大的潘建伟团队不仅研究了量子纠缠的基础性科学问题,而且光量子纠缠实验具有在量子通讯和量子计算机领域极为广泛的应用前景,着眼于从长远的科技图景,潘建伟科学团队的成果有助于量子计算机和量子网络技术的成长。受到“广义测不准原理”的约束,我们目前不能准确地预测最多的光子纠缠数目,不能准确地预言最遥远光子的距离,但是,我们可以粗略地展望下一个阶段的探测目标,中科大的科学团队可能将纠缠光子的数量扩大到数十个、数百个、甚至更多,麻省理工和维也纳大学的科学团队可能将纠缠光子的发生源扩大到130亿光年的类星体、扩大到宇宙微波背景辐射时期的光子、甚至扩大到宇宙诞生时刻的原初光子。

宇哲手稿:2018-8-28

( Verifying quantum entanglement from the Maximum possible quantity and the most distant photons. )

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