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顶尖科学家实验探求量子力学中的“鬼”

DeepTech深科技
2017-02-16
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随着量子计算、量子通讯等相关技术的发展,量子力学已经是现今科技发展的重要理论基石之一。

然而量子力学天生的随机属性,让它一直难以真正令那些决定论的支持者信服。这其中就有伟大的阿尔伯特·爱因斯坦。他首先拒绝承认“上帝会掷骰子”,而对于量子纠缠态表现出的反常识的超距作用,爱因斯坦对此的形容是“spooky”(韦氏字典的解释为1.吓人的,2.表示闹鬼的)。

而如今,一群全球顶尖的宇宙学家和量子物理学家在维也纳做了一个实验,他们使用恒星光线来控制纠缠态下的光子,试图进一步了解量子纠缠态发生的机理和限制条件,以便能够捉到爱因斯坦所说的那只“鬼”,该实验及其结果发表在了2月7日的《Physical Review Letters》上。

日内瓦大学的量子物理学家尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)说,“从技术上讲,这个实验是着实令人印象深刻的。”

根据量子理论,粒子并没有确定的状态,至少在测量之前我们都只能谈概率;而当测量发生时,它们却仿佛如骰子被掷完一般拥有了确定的结果。

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更古怪的是,两个粒子可以进入“纠缠”的状态,不在拥有各自的概率,而需要更加复杂的概率函数将它们作为整体进行描述。该函数可以指定两个纠缠的光子在相互垂直的方向偏振,光子A在竖直方向偏振,光子B在水平方向偏振,或者相反。两个光子可以相距数光年,但它们依然是联系的:如果测量光子A得到的结果是为竖直方向的偏振,那么光子B就会瞬时变为水平偏振,即使测量之前并不知道B的状态,两个粒子间也没有传递信息。

这就是所谓的“鬼魅般的超距作用”,而在上世纪30-40年代,爱因斯坦则以此质疑量子力学的完备性。

在1964年,北爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)发现了一种方法可以检验这个矛盾。他证明,如果粒子具有确定的状态,即使没有人在观察(“realism”,编者认为应翻译为客观性),而且如果确实没有信号传播得比光快(“locality”,即“局域性”),那么粒子间的关联性应具有上限,而且这个上限可以在两个粒子的已测量状态里被观察到。

然而,实验结果一次又一次地表明,纠缠态下粒子的关联性比贝尔的上限更高,因此更加倾向于充满随机性的量子力学世界观。

只有一个问题:除了局域性和客观性,贝尔还使用了另一个微妙的假设推导他的公式,几十年来这个假设在很大程度上都被人们忽视了。

新论文的合作者之一、来自麻省理工学院的安德鲁·弗里德曼(Andrew Friedman)表示:“贝尔定理中三个相关的假设是局域性、客观性和自由度。最近人们发现,极少量地降低自由度变可以保持局域性和客观性。”

“选择自由度”(freedom-of-choice)成为了研究量子纠缠态相关理论的一个漏洞。

在贝尔测试中,纠缠的光子A和B被分离并发送到互相远离的光学调制器(选择性透过光子的装置),它们的原理是根据调制器与光子的偏振方向相同或是垂直来选择让光子通过还是将其阻挡。

贝尔不等式给出了在一个局部客观的宇宙中,光子A和B同时通过它们的调制器并被检测到的频率上限。(实验结果表明纠缠光子间这种相关性的发生频率高于贝尔极限。)

其中有一个条件至关重要,贝尔公式假设两个调制器的设置与被测试粒子的状态无关。在实验中,研究人员通常使用随机数发生器来设置器件的取向角度。然而,如果一旦调制器的设置并非完全独立(事实上随机数发生器给出的也不是完全的“随机数”)——即自然对可能的选择有某种限制,那么这些调制器的设置将有可能与实验开始之前的粒子状态发生关联——这些减少的自由度可以用来解释贝尔极限为什么会被打破,而此前一般来说,大家都会把一切归咎于量子纠缠。

弗里德曼对此的解释是,我们可以把宇宙看作一个餐厅,餐厅里的菜单上有10个选项,你可以点10个中的任何一个。但是有可能鸡肉卖光了,那么事实上就只有5样东西真的在菜单上,因此你其实是高估了自己的自由度。

“同样,当你设置了实验却发现看似违反局域客观性,那说明可能存在未知数、约束条件、边界条件、守恒定律等等,最终以某种微妙的方式限制了你的选择数。”

目前就职于澳大利亚格里菲斯大学的迈克尔·霍尔(Michael Hall),研发了一种将自由度减少进行量化的方法,自此上述研究开始得到人们的关注。

在贝尔测试中,调制器有两种可能的设置(对应于1比特信息:1或0),因此,若要保证两个调制器相互独立,需要2比特信息来指定它们的设置(每个调制器1比特)。但是霍尔证明了以下问题,一旦设置间不是完全独立——哪怕每22次运行中只有一次,由一个比特来指定两个调制器——仅仅如此便可以让这在22次运行中,可用的测量设置数量减少一半。而这个自由度下降引起的相关性增加便足以超过贝尔极限,进而产生量子纠缠的假象

现今,人们逐渐意识到信息和时空几何之间存在的关联,在这个背景下,大自然可能在限制自由度并同时保持局域客观性的观点就变得更有吸引力。

例如,关于黑洞的研究表明,单位体积的时空的引力越强,在该区域中可以存储的比特就越少。因此,事实上引力能够从宇宙饭店的菜单中悄悄抽去选项,同时也可能减少贝尔测试中可测量设置的数量。

但是问题在于,到底如何区分自由度减少和局域客观性的缺失呢?

来自MIT的弗里德曼、阿兰·古斯(Alan Guth)和维也纳大学的马丁·采灵格(Martin Zeilinger)一起提出了一个想法,或许可以解决这一难题。

这些科学家们基于这个想法设计了一系列的“宇宙贝尔实验”,其中的第一步就是,从采灵格位于维也纳的实验室屋顶,通过打开的窗户向其他两个建筑物中实验室里光学调制器发送偏振光子。

与以往实验不同的是,在每次测量之前,实验团队会降低调制器设置与光子状态发生关联的可能性。他们从窗口伸出天文望远镜,让每个望远镜指向一颗一个明亮且位置合适(随机选择)的星星。在每次测量之前,他们使用来自恒星的入射光子的颜色来设置相关调制器的角度。这些光子在数百年前就从恒星出发,并确定了状态,这样就基本确定这些“来自星星”的光子独立于被测量光子的状态。

然而实验结果依旧是相关性超出贝尔的上限。这让科学家们更倾向于相信,实验中的偏振光子的确具有“鬼魅般的超距作用”。

但是,严格来说,自然是否可以在实验开始前600年就通过某种手段降低此次实验设置的可设置数量,这种可能性目前是无法排除的。霍尔调侃道,在这种可能性被证实前,我还是先享受着(量子纠缠)的谬误吧。

然而研究还是需要继续的,团队计划下一步使用来自更远的类星体的光来控制仪器设置,用更加古老的光子来研究设备设置和自由度限制之间的相关性。团队有可能(尽管极不可能)会发现一个过渡点,其中测量设置会变得不相关,不再违背贝尔极限——这将证明爱因斯坦对“超距作用”的怀疑是对的。

“对我们来说,这似乎是一种双赢,”弗里德曼说道,“或许我们会排除越来越多的漏洞,让我们对量子理论更为坚定,又或者我们为物理学掀开全新的篇章。

此外,还存在一种很多物理学家都不喜欢的解释(即超决定论):宇宙也许从一开始就限制了自由度——每次的测量其实都逃不脱在大爆炸时就建立的相关性。

瑞典Linköping大学的物理学家杨·艾克·拉尔森(Jan-ÅkeLarsson)说:“超决定论是不可知的。”

宇宙贝尔测试的团队将永远不能排除在星星、类星体或天空中的任何其他光之前存在的相关性。这意味着“选择自由度”的漏洞永远也堵不上。

但是如果要在量子纠缠和超决定论之间做出选择,大多数科学家还是更喜欢纠缠——以及伴随的自由。“如果相关性确实是在大爆炸之前就预先设定好的,”拉尔森说,“我觉得这是一个无聊的世界观。我不敢相信这是真的。”

编辑:阿卓

参考:https://www.quantamagazine.org/20170207-bell-test-quantum-loophole/

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