中國科大實作基于人類自由意志的量子非定域性檢驗

 中國科學技術大學潘建偉教授及其同僚彭承志、印娟、張強、陳宇翺等組成的研究團隊，在國際上首次實驗實作了基于人類自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗。

        們在上述研究成果中，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，發展了GHz亮度的糾纏源和高時間分辨探測系統，實作了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗，該成果于4月5日發表在《實體評論快報》上；在此基礎上，他們進一步與世界上多個研究小組合作，通過“大貝爾實驗”（Big Bell Test）國際合作的方式，利用超過十萬人的自由意志産生的随機數進行了量子非定域性檢驗，相關成果于5月10日（中原標準時間）發表在《自然》雜志上。

        早在上世紀初量子力學剛剛建立不久，以愛因斯坦和玻爾為代表的兩大陣營就開始了關于量子力學基礎的争論。1964年，約翰•貝爾提出了一種可以區分量子力學與局域實在論孰對孰錯的測試方法，即貝爾不等式。随後的幾十年，大量的實驗都證明了量子力學關于貝爾不等式的預言。但是這些實驗并不能夠完美滿足貝爾不等式的假設條件，或多或少地存在一些漏洞，導緻人們依然無法對這一争論進行最終判定。

        此前諸多貝爾不等式實驗分别關閉了兩個被大家所熟知的漏洞：“定域性漏洞（locality loophole）”和“公平采樣假設（fair-sampling assumption）”。但在這些實驗中，使用的是量子随機數發生器産生的随機數，随機數的産生與糾纏的産生有可能在很久的過去被某個隐變量共同支配着，因而這種随機數可能受到隐變量控制而不能作為真正的随機性來源，通常被稱之為“自由選擇漏洞（measurement independence loophole）”。更普遍來說，所有利用地球上的儀器裝置直接産生的随機數都無法被嚴格用來關閉該漏洞。自由意志（Free will）是哲學裡的一個專業概念，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。

        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。由于人的反應時間在幾百毫秒左右，為了讓糾纏産生、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裡以上，遠遠大于地球直徑（不到1.3萬公裡）。團隊提出利用地球、月球和地月系統拉格朗日點(L4或L5)來開展糾纏分發和貝爾不等式檢驗，如圖所示。根據目前的技術水準，一對糾纏光子從L4（或L5）點被分别發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型準相位比對和Sagnac幹涉環的量子糾纏源，在16mW的低泵浦功率下每秒可産生十億對糾纏光子，亮度比以往實驗中使用的糾纏源提高了兩個數量級。

（未來基于地月系統的Bell不等式檢驗方案示意圖）

        2014年，在發展使用全新超高亮度糾纏源技術的基礎上，配合自主研發的高分辨時間-數字轉換（TDC）系統，研究團隊在實驗室中成功實作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到兩個測量端，并模拟了總共103dB的超高損耗，每個測量端由實驗者獨立、随機地選擇測量基矢，最終在關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。

        在此基礎上，該團隊随後與國際上10餘個知名量子研究團隊合作，開展 “大貝爾實驗”（the Big Bell Test）。該實驗召集到了世界各地超過十萬名志願者，所有志願者在2016年11月30日當天，通過網際網路和手機無線網絡參加項目開發的網絡實驗。在實驗中，所有志願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随機數，并記錄在網際網路雲端。這些随機數被實時和随機地發放給分布在世界各地的相關研究團隊，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，在更廣泛的範圍内關閉了自由選擇漏洞。

        上述研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和安徽省等的支援，在大貝爾實驗志願者召集方面得到了中國科學技術大學宣傳部、墨子沙龍和騰訊視訊的幫助。

玩轉量子力學的太空新“樂園”

        量子實體學家即将在太空擁有自己的“遊樂場”。據英國《自然》雜志官網8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室将于5月20日發射升空，進入國際空間站。屆時，它将成為目前宇宙中最冷的地方，研究人員将用它探測在地球上無法觀察到的量子現象，如在太空制造“泡泡”“環”和“漩渦”等，進而以前所未有的方式“玩轉”量子力學。

        研究人員指出，這可能促使科學家發現新實體學，推進前沿實體學的發展。

宇宙間最冷之地

量子力學的“樂園”

        該實驗室由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）負責。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目标是制造出名為“玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）”的獨特“超流體”物質态，供科學家研究宏觀尺度上的量子力學。

        BEC是數十萬個原子組成的雲，當被冷卻到絕對零度附近時，數十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務項目經理、噴氣推進實驗室的卡姆爾·奧德瑞自豪地表示：“能夠在太空進行這些實驗是一項巨大的成就。”

        在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之内就會讓BEC分崩離析。但如果它們漂浮在國際空間站，應該能“存活”至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創紀錄的低溫——可能隻比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。

        奧德瑞說，這是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家标準與技術研究院（NIST）原子實體學家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更“長壽”的BEC将“推動前沿基礎實體領域的研究，15年來，科學家一直期盼會産生新的實體學。”

麻雀雖小五髒俱全

工具包大小的實驗裝置

        國際空間站可謂“寸土寸金”，是以工程師不得不壓縮原子實體裝置的大小，将填滿一個大房間的設施壓縮到一個冷藏箱大小的箱子内。該裝置利用雷射來冷卻铷和鉀原子，使它們幾乎停滞不動；然後，用磁場捕捉原子雲；最後，科學家将使用其他冷卻技術——包括無線電波“刀”來剝離能量最高的原子等，将原子雲冷卻到更接近絕對零度的溫度，進而創造出BEC。

        此外，工程師還必須設計屏蔽層，以保護脆弱的BEC免受密集元件和不斷變化的地球磁場的幹擾。而且，實驗隻有在國際空間站上的科研人員睡覺之後才運作，以盡量減少任何運動可能造成的幹擾。

        該技術比最初設想的要簡單，因為更複雜的實驗室版本出現了問題，影響了真空室并且可能會導緻項目延期，這導緻實體學家暫時無法實作他們的最終目标——執行基于太空的原子幹涉測量，這個過程會将BEC的量子波分成兩部分并重新組合，得到的幹涉圖案讓科學家可以更精确地分析重力的影響，也能讓他們測試BEC是否可用作極為靈敏的旋轉和重力傳感器。

        不過，該任務科學家、JPL的羅伯特·湯普森說，更進階的套件應該會在2019年底到達國際空間站。

玩轉量子力學

氣泡、環和漩渦

        湯普森說，盡管裝備不足，但實體學家仍可就目前的情況發現新實體學。屆時，将有5支研究團隊使用這一實驗室進行實驗。其中一個團隊計劃使用無線電波和磁場，讓BEC形成約30微米的氣泡形。根據量子力學，由于氣泡既纖薄又沒有邊緣，BEC的行為應與地球上形成圓盤或球體時的行為迥然不同。

        史密斯學院理論實體學家科特尼蘭·内特說，它可能更容易形成一種名為“渦流”的旋渦。在地球上，當流體下落時，試圖産生氣泡的過程總是以碗形狀結束。她說：“除非我們能擺脫重力，否則我們根本無法獲得這種形狀。”

        科羅拉多大學的埃裡克·康奈爾與他人共同發現BEC而榮獲2001年諾貝爾實體學獎，此次，他上司的團隊将嘗試創造出被稱為“埃菲莫夫”（Efimov）态的奇異的松散結合系統。這一物質形态以1970年提出其存在的俄羅斯理論實體學家維塔利·埃菲莫夫的名字命名，在原子結合力太弱而不能結成對，進而形成“三人組”的情況下，這些量子态會突然“現身”。這一結構與著名的拓撲結構博羅米爾（Borromean）環類似。乍看上去，博羅米爾環是三個互鎖的環，但細看則不然：沒有兩個環是互鎖的。如果打斷任一個環，整個結構就分開了。隻有保持三個環都完整，這些環才能結合在一起。

        核實體學家對這一結構非常感興趣，因為它們與由中子和質子構成的罕見的三粒子核類似，而科學家目前對三粒子核知之甚少。

        康奈爾團隊希望創造最簡單的埃菲莫夫态，以及其受激發的膨脹态。在受激發的埃菲莫夫态中，盡管原子間存在細菌大小的縫隙，但其彼此依附。華盛頓州立大學鉑爾曼分校的實體學家瑪倫·莫斯曼說，康奈爾團隊也許能制造出由4個原子組成的此類結構——所謂的四聚體（tetramer）。

        自1997年加入JPL，湯普森一直緻力于建立這樣的太空實驗室。他認為，目前的實驗室是向更複雜的太空原子實體實驗室邁出的關鍵一步。NASA正與德國航空航天中心（DLR）攜手建造一個名為BECCAL（玻色-愛因斯坦冷凝體和冷原子實驗室）的設施。

原文釋出時間為：2017-03-23

本文作者：windy

本文來源：

九州量子

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