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1、爱因斯坦输了 打开文本图片集 1935年，阿尔伯特爱因斯坦、鲍里斯波多尔斯基和纳森罗森共同撰写了一篇闻名的论文，对量子力学理论的完备性提出质疑。论文中，他们反对量子纠缠这一观点，即纠缠在一起的两个粒子可能会相互影响，无论它们相隔多远。他们断定，量子力学必需完善其理论，才能对世界进行合理的、“局域实在”的描述。他们认为，一个粒子在局域携带了全部的属性，能够确定任何对该粒子测量的结果。这些属性构成了粒子的物理实在性。 然而， 直到1964年， 欧洲核子探讨所的理论物理学家约翰斯图尔特贝尔发觉了可以用来进行试验，测量是否真的存在“局域实在”的不等式。在随后的几十年里，试验人员对贝尔不等式进行了一次次
2、日益困难的验证。然而，这些验证总是至少存在一个漏洞，可以用局域实在性对试验结果加以说明，除非人们提出一些修正性的假设来填补这些漏洞，否则我们无法对爱因斯坦的质疑束之高阁。如今，三支科研团队已经填补了两个主要的漏洞，各自证明了我们必需明确抛弃爱因斯坦提出的局域实在论。尽管他们的探讨结果从某种意义上说并不出乎意料，但他们付出了几十年的辛苦来进行试验。他们的试验结果也将几个基本量子信息方案，如设备无关量子密码学和量子网络，建立在了更坚实的基础上。 我们有时可能遗忘了爱因斯坦在量子力学早期发展中所起的主要作用。他是第一个真正理解机械振荡器能量量子化结果的科学家。1905年，他发表论文提出了“光量子”模
3、型，之后，又在1909年发表了光的波粒二象性理论。尽管爱因斯坦见解深邃，富有远见，但对贝尔提出的量子理论的“哥本哈根说明”表示不满，并试图找出海森堡测不准原理中的冲突之处。然而，在1927年的索尔维会议上，贝尔利用单个量子态粒子的思想试验胜利化解了爱因斯坦的招招攻势。 到了1935年，爱因斯坦对“哥本哈根说明”提出了新的反对看法，这次他利用两个粒子的思 想试验进行反对。他发觉量子力学理论允许两个粒子纠缠在一个量子态中，这样一来就可以预料这两个粒子的测量结果之间具有极强的关联性。也就是说，即便两个粒子相隔得足够远，确保对彼此的测量互不影响，它们之间还是会持续相互关联，除非它们运动的速度超过光速。
4、因此，爱因斯坦提出了自己认为唯一合理的说明：这对粒子中的每个粒子所携带的属性，在它们进行空间分别的那一刻就已经确定了，同时也确定了测量结果。但由于当时量子理论中没有对纠缠态粒子进行单独说明，所以爱因斯坦认为量子理论框架并不完备。然而，贝尔剧烈反对这一结论，他坚称假如根据爱因斯坦的说法去完善量子理论，就会破坏量子理论的自洽性。 当时除了埃尔温薛定谔外，大多数物理学家都没有在意贝爱之争，因为他们的争辩只是关于量子理论的说明，并不能精确预料测量结果，这点爱因斯坦并没有提出质疑。当贝尔有了突破性的发觉之后，状况发生了变更，他发觉量子物理学中的一些预料与爱因斯坦的局域实在论世界观之间存在冲突。为了清晰地
5、理解贝尔的发觉，让我们参考一项详细的试验：试验中有一对光子，它们的偏振现象在两个分隔开的观测站进行测量，对于两个偏振光子的纠缠态如图所示。量子力学推想，这两个相距甚远的光子偏振测量之间存在极强的相关性。为了说明这种相关性，贝尔独创了一套广义的局域实在性理论，在这个广义理论中，每对光子共有的属性确定了测量的结果，现在我们称之为贝尔不等式。在这个不等式中，贝尔指出，对任何局域实在性的理论框架来说，预料的相关性都存在局限。他表示，依据量子力学理论，这些局限是通过一些偏振器设定的。也就是说，量子力学的预料与局域实在性相冲突。这也就告知人们，贝爱之争不只是关于量子理论的说明，同样也涉及了定量的预料结果。
6、 贝尔的发觉使得贝爱之争从相识论转移到了试验物理领域。在接下来的短短几年里，贝尔不等式便应用于实践之中。11012年，加州高校伯克利分校以及哈佛高校进行了第一批试验，接着在11016年，得克萨斯州农工高校也进行了相同的试验。起先时试验有偏差，后来试验结果渐渐向量子力学靠拢，偏离贝尔不等式高达6个标准差。尽管这些试验在当时堪称杰作，代表了当时最高水平的试验技术，但还远不够志向。一些漏洞仍旧存在，这使得爱因斯坦的支持者依旧可以采纳局域实在性说明试验结果。 第一个漏洞，根据贝尔的说法，是最根本的一个漏洞，即“局域漏洞”。在说明自己的不等 式时，贝尔不得不假设一个偏振片的测量结果与另一个偏振片的方向无
7、关。这种局域条件是一个合理的假设。但在一次争辩中，有人设想了一个新现象，认为基于基本的自然规律提出这一局域条件会更好。事实上，对此贝尔已经做出了改进。他提到，假如偏振器的方向在光子离开光源向探测器飞行期间选定，就可以防止其中一个偏振器在测量的时候“感知到”另一个偏振器的方向。因为根据相对论因果律，没有信号可以传播得比光还快，这样就填补了这个局域性漏洞。 这正是11012年我和同事在高等光学探讨院做的一个试验，那时我们在试验中让偏振器的偏振方向在光子行进的时候做快速变更。即便实行这类全新的、严密的试验方案，我们依旧发觉试验结果支持量子力学的预料，仍偏离贝尔不等式6个标准差。然而，由于技术限制，当
8、时试验中偏振器的偏振方向并不是随机选定的。19101年，因斯布鲁克高校的探讨人员运用大大改进的纠缠态光子源进行了试验，使得试验可以在真正的随机数发生器中进行，他们视察到测量结果与贝尔不等式偏离几十个标准差。 然而还存在其次个漏洞。这个漏洞与人们视察的样本有关，全部试验视察的光子对都是光源产生的很小一部分。这一小部分光子可能取决于偏振器的设置，从而阻碍了贝尔不等式的成立，所以人们不得不做出合理的“公允抽样”假设。为了填补这个“探测漏洞”，并放弃合理样本的假设，在一个光子被检测到的状况下，检测另一个光子的概率必需大于2/3，但由于单光子计数技术的限制，这一探测概率数值直到最近才能达到。2022年，
9、得益于新型光子探测器的开放利用，量子全局有效性可达90%以上，两项试验填补了探测漏洞。很明显，试验结果不支持贝尔不等式。探测漏洞也能够用其他量子纠缠系统来填补，尤其是应用离子来替换光子，但这些试验都无法同时解决局域漏洞。 直到两年前，局域漏洞与探测漏洞才同时得以解决。荷兰德尔福特理工高校的罗纳德汉森、奥地利维也纳高校的安东泽林格和美国国家标准与技术探讨院的林登沙尔姆带领的探讨团队在同一个试验中同时填补了两个漏洞，成就惊人，堪称绝妙。 其中奥地利和美国探讨团队的试验方案基于上文图中所示的方案。试验人员将快速切换的偏振器放置在离光源足够远的地方，从而填补局域漏洞。在奥地利团队的试验中放置距离为30
10、米，而美国团队的试验中放置距离达到了101多米。两个团队都运用了高效光子探测器，按要求解除了探测漏洞。他们利用非线性晶体将泵浦光子转换为两个“子代”纠缠光子来制备光子对。两个光子被送往不同的探测站，每个探测站都有一个偏振器，与随机数发生器对齐，此随机数发生器是由西班牙的科学家研发出来的。荷兰的试验团队也采纳了这种随机数发生器。此外，在一个光子被分析器探测到时，另一个光子同时也被对面的分析器探测到了，这样，两个团队获得了前所未有的高探测概率。同时将此与高效能的光子探测器结合起来，使得这两个试验的预示有效性达到了约75%，高于前面提到的2/3的临界值。 为了评估违反贝尔不等式测量结果的可信度，科学
11、家还计算了局域实在模型中的统计学涨落率p，统计涨落能够引起观测到的不等式偏离状况。奥地利探讨团队得出的p值为3.710-31，这一数值特别可观，相当于11个标准差。正如作者强调的那样，如此小的概率其实并不重要，一些未知错误存在的概率确定更大。而美国团队得出了一个同样令人信服的p 值：2.310-7，相当于7个标准差的偏移。 信息领域来讲意义重大。比如，一个没有漏洞的贝尔不等式验证明验可以保证一些与设备无关的量子密码方案的平安性。此外，尤其是荷兰团队的试验表明缠上静态量子比特存在可能，从而奠定了长距离量子网络的基础。 当然，我们必需牢记，这些试验主要是为了解决爱因斯坦和贝尔关于量子力学观点的冲突
12、。现在，我们可以说局域实在性的争辩迎刃而解了吗？毫无疑问的是，到目前为止，我们已经取得了关于贝尔不等式最完善的试验成果。然而，不管多么完善，没有任何试验堪称一百零一无纰漏。以纠缠光子试验为例，我们可以想象晶体中光子的属性被放射之前就已经确定了，这就与文献注释的合理假设相冲突。而随机数发生器会受到光子属性的影响，这也不违反相对论因果律。这一假定虽然很牵强，但残存的漏洞不容忽视，而且针对这一假定漏洞已经有尝试性的方案被提出来。 然而，对物理学一般的推理方式来说，更惊奇的漏洞可能性就是“自由意志漏洞”。这种说 法基于一个观点，那就是由于相对论因果律，我们认为独立选择出来的偏振方向，事实上可能因为它们
13、共同的历史事务存在关联性。因为全部事务都源于同一个历史，假如我们追溯得足够远的话，比如大爆炸时期，基于这种说明，任何视察到的关联现象好像都合乎情理了。然而，实行这种极端逻辑意味着人类其实不具备自由意志。因为两组试验即便相隔很远，各自的试验人员也不能说不受影响地独自选择测量装置的设置。贝尔让科学家具有自由意志随意选择偏振片设置的基本假定，被指控为形而上学。他回应道：“陷入这个形而上的假定进退两难，的确很不光彩，但对我而言，我只是在理论物理学界尽了我的微薄之力。”在抛弃这样一个特地说明时，我情愿与贝尔站在一起，谦卑地声明：“我只是在试验物理学界尽了我的微薄之力。” 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页
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