我國科學(xué)家檢驗量子非定域性

貝爾測試的架構(gòu)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、陳宇翱等組成的研究團隊，與世界上多個研究小組合作，通過“大貝爾實驗”國際合作的方式，利用超過十萬人的自由意志產(chǎn)生的隨機數(shù)進行了量子非定域性檢驗，相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然》雜志上。

早在上世紀初量子力學(xué)剛剛建立不久，以愛因斯坦和玻爾為代表的兩大陣營就開始了關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的爭論。1964年，約翰·貝爾提出了一種可以區(qū)分量子力學(xué)與局域?qū)嵲谡撌雽κ脲e的測試方法，即貝爾不等式。隨后的幾十年，大量的實驗都證實了量子力學(xué)關(guān)于貝爾不等式的預(yù)言。但是這些實驗并不能夠完美滿足貝爾不等式的假設(shè)條件，或多或少地存在一些漏洞，導(dǎo)致人們依然無法對這一爭論進行最終判定。

潘建偉及其同事彭承志、陳宇翱等組成的研究團隊，在國際上首次實驗實現(xiàn)了基于人類自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗。他們首先提出了基于人類自由意志、在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗的方案，發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時間分辨探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗，這項成果于4月5日發(fā)表在《物理評論快報》上。

自由意志(Free will)是哲學(xué)里的一個專業(yè)概念，使用人的自由意志來選擇測量事件甚至用人來直接進行測量被認為是有希望徹底解決該問題的途徑之一。

此前諸多貝爾不等式實驗分別關(guān)閉了兩個被大家所熟知的漏洞：“定域性漏洞”和“公平采樣假設(shè)”。但在這些實驗中，使用的是量子隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)，隨機數(shù)的產(chǎn)生與糾纏的產(chǎn)生有可能在很久的過去被某個隱變量共同支配著，因而這種隨機數(shù)可能受到隱變量控制而不能作為真正的隨機性來源，通常被稱之為“自由選擇漏洞”。更普遍來說，所有利用地球上的儀器設(shè)備直接產(chǎn)生的隨機數(shù)都無法被嚴格用來關(guān)閉該漏洞。

潘建偉團隊提出了一個基于人類自由意志，在地球—月球之間開展貝爾不等式檢驗的實驗方案。由于人的反應(yīng)時間在幾百毫秒左右，為了讓糾纏產(chǎn)生、基矢選擇、探測測量等事件都滿足類空間隔條件，用于選擇測量基矢的實驗者需要相距十萬公里以上，遠遠大于地球直徑(不到1.3萬公里)。

團隊提出利用地球、月球和地月系統(tǒng)拉格朗日點(L4或L5)來開展糾纏分發(fā)和貝爾不等式檢驗。根據(jù)目前的技術(shù)水平，一對糾纏光子從L4(或L5)點被分別發(fā)送到地球和月球上測量時，至少需要承受100dB以上的損耗，這對量子糾纏源的亮度提出了更高的要求。為此，研究團隊研制了基于PPKTP晶體0型準相位匹配和Sagnac干涉環(huán)的量子糾纏源，在16mW的低泵浦功率下每秒可產(chǎn)生十億對糾纏光子，亮度比以往實驗中使用的糾纏源提高了兩個數(shù)量級。

2014年，在發(fā)展使用全新超高亮度糾纏源技術(shù)的基礎(chǔ)上，配合自主研發(fā)的高分辨時間—數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)系統(tǒng)，研究團隊在實驗室中成功實現(xiàn)了超高損耗下的貝爾不等式檢驗。實驗中糾纏光子對被分發(fā)到兩個測量端，并模擬了總共103dB的超高損耗，每個測量端由實驗者獨立、隨機地選擇測量基矢，最終在關(guān)閉自由選擇漏洞下觀察到了貝爾不等式的違背，為未來在地月系統(tǒng)中開展量子非定域性的終極檢驗邁出了堅實的一步。

在此基礎(chǔ)上，該團隊隨后與國際上10余個知名量子研究團隊合作，開展“大貝爾實驗”。該實驗召集到了世界各地超過十萬名志愿者，所有志愿者在2016年11月30日當天，通過互聯(lián)網(wǎng)和手機無線網(wǎng)絡(luò)參加項目開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實驗。在實驗中，所有志愿者都需要基于個人的自由意志不斷地進行選擇形成二進制隨機數(shù)，并記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端。這些隨機數(shù)被實時和隨機地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團隊，用以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗，通過更多參與者的自由意志，在更廣泛的范圍內(nèi)關(guān)閉了自由選擇漏洞。(記者 吳長鋒)