量子论“幽灵”通过测试：让爱因斯坦“出局”

约翰·贝尔设想了一个实验，表明爱因斯坦对“隐藏变量”的描述在自然界中并不存在。资料来源:欧洲粒子物理研究所

对阿尔伯特·爱因斯坦和黑客来说，这是糟糕的一天。迄今为止对量子理论进行的最严格的测试已经证实，“幽灵般的超距离效应”是量子世界固有的一部分。

一般来说，在由两个粒子组成的量子系统中，一个粒子的测量会与远处空间中的另一个粒子发生干涉，由此产生的现象称为非局域效应。爱因斯坦认为，当第一个粒子被外部观察时，另一个粒子会“知道”第一个粒子的信息，并在没有直接影响的情况下做出反应，把它描述为“幽灵般的远摄效应”。

荷兰的这个实验彻底摧毁了一些物理学家的最后希望。他们认为标准量子力学太反直觉了，并发展了一些更直觉的微观世界模型。但这一发现可能有助于量子工程师开发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Nicolas Gisin说。

在量子力学中，一个物体可以同时处于多种状态:例如，一个原子可以同时处于两个位置，或者具有相反方向的自旋，而测量一个物体将迫使它“收缩”到一个特定的状态。此外，不同物体的性质可以“纠缠”，即它们的状态是联系在一起的: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。

但是爱因斯坦讨厌这种想法，因为这似乎意味着这种“幽灵般”的相互作用甚至可以在粒子间瞬间传播很远的距离，这违反了没有任何物体的运动速度能超过光速的普遍原则。他指出，量子粒子的性质实际上是在测量之前确定的，被称为“隐藏变量”。尽管这些变量无法观察到，但它们预先决定了纠缠粒子的行为。

20世纪60年代，爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了一种测试方法，来区分粒子行为是符合爱因斯坦的隐藏变量理论，还是属于量子力学的“幽灵效应”。他的计算发现隐藏变量可以解释最大的相关性。如果超过这个值，爱因斯坦的模型一定是错的。

1981年，由巴黎光学研究所阿兰·阿普斯领导的小组率先进行了第一次贝尔实验。从那以后，出现了越来越多的实验，所有这些实验都支持幽灵假说，但每一个实验都有一些漏洞，以致物理学家未能完全消除爱因斯坦的观点。在使用纠缠光子的实验中，经常会有一个“探测孔”:因为实验不能探测到所有产生的光子，有时甚至会错过80%的光子。因此，实验者只能假设他们检测到的光子特性能够代表整个光子群体。

为了避免“探测孔”，物理学家通常使用比光子更容易追踪的粒子，如原子。但是对于原子来说，在不破坏纠缠的情况下将它们分离开来要困难得多。这就带来了一个“通讯漏洞”:如果纠缠的原子太近，那么原则上，一个原子的测量会影响另一个原子，但这并不违反光速极限理论。

8月24日，荷兰代尔夫特大学的物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)和他的同事上传了关于arXiv的最新论文，称他们已经进行了第一次贝尔实验，该实验可以解决“检测漏洞”和“通信漏洞”。该团队使用了一种称为“纠缠交换”的巧妙技术，将光子和物质粒子的优势结合起来。研究人员首先从代尔夫特大学的不同实验室获得了一对非纠缠电子，彼此相距1.3公里。每个电子都与一个光子纠缠在一起，然后两个光子都被送到第三个位置。这里，两个光子相互纠缠，这导致与光子纠缠的两个电子处于纠缠状态。

但是这个过程并不总是成功的。在九天内，该团队产生了245对纠缠电子。最终的测量结果显示两个电子之间的相关性超过了贝尔极限，再次支持了标准量子力学的观点。此外，由于电子易于探测，“探测空穴”不成问题，两个电子之间的距离足以填满“通讯空穴”。

"这是一个微妙而优雅的实验。"奥地利维也纳大学的量子物理学家安东·蔡林格说。

“如果这篇论文的作者和Aspect以及其他几年来首次进行实验的人获得了诺贝尔奖，我不会感到惊讶。”加拿大圆周理论物理研究所的量子物理学家马修·雷弗说，“这真的很令人兴奋。”

雷弗还说，没有漏洞的贝尔实验对量子加密技术也有深远的意义。许多公司已经在销售使用量子力学原理来防止窃听的系统。这些系统将产生纠缠光子对，将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。两个用户可以将光子转换成只有他们知道的钥匙。由于对任何量子系统的观察都会破坏它们的特性，一旦有人试图窃听这一过程，就会产生重大影响，引发警报。

但是这些漏洞，尤其是观察漏洞，为更狡猾的窃听者留下了一扇门。利用这个漏洞，该公司可以出售一些恶意系统，使用户认为他们的粒子是纠缠在一起的，而实际上该公司可以秘密监控他们的信息。1991年，量子物理学家阿图尔·埃克特提出，贝尔实验中的加密技术可以确保系统使用真实的量子过程。然而，贝尔的实验必须消除黑客可能利用的所有漏洞。泽林格指出，代尔夫特大学的实验“最终证明了量子加密技术可以完全安全”。

然而，这种纠缠交换在现实中很难实现。这个研究小组花了一个多星期来产生数百个纠缠电子对，一个量子密钥每分钟需要处理数千比特的数据。蔡林格还指出，可能还有一个哲学漏洞:爱因斯坦的隐藏变量可能仍然存在，并操纵实验者对测量属性的选择，让他们相信量子理论是正确的。

雷弗并不太担心这个“选择*的漏洞”“可能有某种‘超决定论’，它决定了大爆炸期间所有的测量选择。”他说，“但是我们没有办法证明它，所以我不认为大多数物理学家会被它困扰。”(张张)

中国科学新闻(2015-09-09第三版国际版)

阅读更多

《自然》杂志的相关报道