专业解读：爱因斯坦和玻尔的世纪争论，在中国的“墨子号”量子星上得到检验

爱因斯坦和玻尔的后代世纪之谜

在量子力学建立之初，“纠缠”现象引起了所有物理学家的好奇心。爱因斯坦称之为“遥远地方之间的奇怪互动”。量子力学中所谓的纠缠是指处于纠缠态的两个粒子能够保持一种特殊的关联状态。两个粒子的状态最初是未知的，但是一旦一个粒子被测量，另一个粒子的状态就可以立即被知道，即使它们相距很远。在过去的半个世纪里，科学家们对这一现象背后的本质深感困惑。

在上个世纪，关于纠缠的观点把物理学家分成了两组:以玻尔为代表的哥本哈根学派认为，对于微观量子世界来说，所谓的“现实”只有与观察手段联系起来才有意义；然而，像爱因斯坦这样的科学家不能接受这种观点。他们认为量子力学是不完整的。测量结果一定是由某个“隐藏变量”预先确定的，但我们一直无法检测到它。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森联合发表了一篇题为“物理现实的量子机制描述可以被认为是完整的”的文章，以证明量子力学的不完整性。通常人们称他们的论点为EPR悖论或爱因斯坦的局部现实主义。

玻尔和爱因斯坦为此争论了50年，直到他们最后的死亡，这个问题才得以解决，这一直吸引着后代去验证。

如何验证？

说到局部实在论，它实际上包含两层含义:第一，物理实在论:任何可观察到的物理量必须以确定的方式客观存在；如果没有外部干扰，可观测的物理量应该有一个确定的值；第二，局部因果关系:如果两个事件之间的四维时空在空间上是分离的，那么这两个事件之间就没有因果关系。基于这一认识，爱尔兰物理学家贝尔在1964年提出了著名的“贝尔不等式”，它对两个分离的粒子同时测量时结果的可能关联度设置了严格的限制。

图1 2005年水平距离为13公里的*空间中的双向量子纠缠分布

2010年，该团队在世界上首次实现了基于量子纠缠分布的16公里量子态隐形传态。2011年底，在前期关键技术准备的基础上，中科院战略性科技试点项目“量子科学实验卫星”正式启动。2012年，中国科学院潘剑伟领导的联合研究团队在青海湖实现了第一次102公里以上的量子纠缠分布实验。实验中，衰减高达80dB。一方面，通过大气信道传输，在更大范围内验证了纠缠特性仍然存在。另一方面，验证了在很大的衰减下纠缠特性仍能保持，进一步验证了星地纠缠分布的可行性。

在接下来的几年里，经过艰苦的研究和克服各种困难，该团队成功地研制了“墨子”量子科学实验卫星。在亿万人的眼中，墨子于2016年8月16日成功进入轨道。经过四个月的在轨测试，它于2017年1月18日正式交付进行科学实验。

图2墨子量子科学实验卫星

作为墨子卫星的三个科学实验之一，星地量子纠缠分布是世界上第一个空间尺度的量子纠缠分布实验。

墨子量子科学实验卫星有三个光学有效载荷。量子纠缠光源制备成对纠缠光子，由两个光学天线发射。当卫星通过边界时，两台望远镜分别指向德令哈和丽江地面站，两个地面站的接收系统根据卫星的飞行角速度随卫星旋转，使卫星同时与两个地面站建立量子信道，并将纠缠光子传输到地面站。接下来，地面站测量光子的纠缠，如果有足够的统计数据，贝尔不等式可以得到验证。

本次实验中，两个地面站相距1200公里，卫星到两个地面站的总距离平均为2000公里，地面站的跟踪精度为0.4 urad，地面站系统的接收效率超过20%。卫星上的纠缠源每秒钟能产生800万对纠缠光子，光链路的建立可以在地面1200公里以上的两个站之间以每秒1对的速度建立量子纠缠，从而可以在很短的时间内获得大量的统计数据。如果使用光纤在如此长的距离上传输光子，即使选择了超低损耗的光纤，也需要30，000年来分配一对光子。

实验中，两个光子相隔足够大的距离，高精度的实验技术保证了两个位置之间独立测量的时间间隔足够小，满足贝尔不等式测量中“类空分离”[2]的测量要求，关闭了局部脆弱性和测量选择脆弱性。实验结果表明，贝尔不等式被违反，标准差为4倍，即量子力学的正确性在1000公里的距离上得到验证，置信度大于99.9%。严格符合爱因斯坦局域性条件的量子力学非局域性检验已经实现。这一重要成果为今后大规模量子网络和量子通信的实验研究以及外层空间广义相对论和量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

相关成果以封面论文的形式在国际权威学术期刊《科学》上发表。除量子纠缠分布实验外，墨子量子科学实验卫星的其他重要科学实验任务，包括高速星地量子密钥分配和地地量子隐形传态，也进展顺利，进展紧张。预计今年将陆续向公众公布更多的科学成果。

注意:

[1]贝尔不等式有许多著名的推广。在贝尔不等式提出五年后，考虑到实验的实际因素，约翰·克劳泽、迈克尔·霍恩、艾布纳·西蒙尼和理查德·霍尔特提出了一个CHSH不等式。后来的实验中关于贝尔不等式的实验主要是为了验证CHSH不等式。

[2]类空间分离意味着两个事件之间的时空间隔满足“不可能用低于光速的信息连接两个事件”的要求

感谢中国科技大学合肥微尺度实验室副研究员张文卓、邹密、李东东对本文的帮助。

作者:梅琳

编者:白泽

资料来源:墨子沙龙