史上最大贝尔实验再度验证他始终不满意的量子力学

当量子力学在近一个世纪前首次被发现时，它颠覆了人们此前对宇宙的两个基本假设，一个是客观实在性（realism），一个是“非局部性（non-locality）”。

在客观实在性的问题上，相比经典物理，量子力学认为一个独立于观察者的世界是不存在的，所谓的现实在被观察前都是不可描述的。而在第二个问题，“非局部性”上，量子力学中的“纠缠”能违背了爱因斯坦的相对论，允许处于一个时空的事件能瞬间影响处于另一个时空的事件，而在相对论中，光速才是宇宙中的最快速度。

由于发现了光量子，爱因斯坦被认为是量子理论的创建者之一，但爱因斯坦对后来的量子力学并不满意，并认为量子力学理论不完整，简单的一句话是——“上帝不丢骰子”。在他看来，量子力学的概率特征是其理论不完备的表现，爱因斯坦生前曾一直并坚信其背后一定有着更为深层的物理原理能对此给出解释，直至他于 1955 年去世，问题也仍未得到解答。

但是，迄今为止最为宏大的贝尔实验再次验证了量子力学的可靠性：围绕量子力学中颇为关键的一个漏洞——选择漏洞，一个国际小组将他们的贝尔实验“外包”给宇宙，让宇宙参与生产随机数，以获取最大的随机性。

除此之外，中国科技大学的潘建伟所领导的中国团队也在他们的实验中对包括选择漏洞在内的量子力学所有三个漏洞都做了一定的探索。

这些实验或许很快就能证明，整个世界或许都遵循着这一爱因斯坦生前并不喜欢的理论。

（来源：Quanta Magazine）

量子力学“填不完的漏洞”

在检验量子力学上，一个很有名的实验是贝尔实验，其发起人是北爱尔兰理论物理学家约翰·贝尔。

1964 年，约翰·贝尔终于为实验学家们提供了一种可行的量子力学检验方法。在贝尔实验中，由一个纠缠光子源分别向爱丽丝和鲍勃两个接收者发送光子，每个观察者获得这对纠缠光子中的一个。爱丽丝和鲍勃将分别测量所接受光子偏振性（极性），然后对比测量结果来判断两个测量结果之间是否存在相关性。

在大多数贝尔实验中，这一特定量子属性都被选为了“某一特定有效方向上的极化”。

经典物理认为两个光子的测量结果间没有任何联系，在贝尔实验中，任何认可真实性和局部性的理论都预测测量结果间的相关性存在一个最大值。而量子力学的非局部性则允许测量间的相关性超出这一最大值。

首个较为完整的贝尔实验于上世纪 70 年代被完成，结论是客观实在性和局部性的崩塌，量子力学获得胜利。

（来源：Resonance Science Foundation）

但这些早期贝尔实验不能完全排除“隐藏理论”的存在。例如，如果进行实验的两人，爱丽丝和鲍勃相距不够远，以光速传播的“隐藏”影响就可能会导致爱丽丝的测量结果对鲍勃的测量构成影响。

除了刚才所提到的局部性漏洞，早期贝尔实验还存在一个抽样漏洞和一个选择漏洞。抽样漏洞指的是假如爱丽丝和鲍勃使用的探测器效率很低，仅能检测到一小部分光子，实验结果就可能会产出一个本不存在的相关性，而选择漏洞则与爱丽丝和鲍勃选择的测量设定是否完全独立有关，因为哪怕是一丁点的选择相关性都会摧毁实验的完整性。

虽然在 2015 年有一系列实验称它们通过将爱丽丝和鲍勃在太空中分开足够远的一段距离，并为观测者分配备高速随机数字生成器和高效探测器成功填补了上述三个漏洞，并得出结果表明量子力学依然正确。

但澳大利亚国立大学（Australian National University）的 Michael Hall 早在 2011 年就已提出“随机数生成器可能在效果上不足以填补选择漏洞”，认为如果随机数生成器和光子发射源在过去通过某种隐藏机制进行过交互，观察者的测量设定，甚至光子本身的一些属性就会因此受到影响，进而使实验观测到一些本不该存在的相关性。

西班牙光子科学研究所（Institute of Photonic Sciences）的 Morgan Mitchell 说：“当时，如何能确保随机数生成器与光子源间未存在过关联成了业界的一大难题，甚至给人一种‘选择漏洞或许根本就无法填补’的感觉。”

但 Mitchell 和同事后来提出了一个具有创新性的可能解决方案：将测量设定的选择外包给玩视频游戏玩家。在“大贝尔实验（the Big Bell Test）”中，每个游戏玩家都需要快速生成 0 和 1 的序列，科学家会用机器学习算法则会尝试预测玩家的选择，按生成序列的可预测性给出玩家的得分（越不可测得分就越高）。

2016 年 11 月 30 日，大约 10 万名玩家在游戏中生成了近 1 亿个随机数字，这些数字被传给了全球各地的 13 个不同版本的贝尔实验。

图丨the Big Bell Test（来源：the Big Bell Test）

而正如大贝尔实验团队于今年年初所透露的那样，所有的实验结果都表明量子力学成立。Mitchell 说：“如果人类有自由意志，那大贝尔实验就已经填补了选择漏洞。”

然而，人有自由意志是一个极为哲学的假设，眼下并不可靠，但也确实有一个办法能绕开这个问题。

时空中的每个事件，例如爱丽丝和鲍勃进行测量，都有一个“过去光锥（past light cone）”：一个时空体积，一个以小于等于光速的速度传播，能影响事件结果的“隐藏因素”，而通过尽可能地降低用于生成测量设定的随机事件与过去相关性，也就是尽可能的缩小“过去光锥”的体积，我们便能绕过自由意志的假设，以一种相对可靠的方法填上选择漏洞。

这便是麻省理工学院的 Andrew Friedman、David Kaiser 和哈维姆德学院（Harvey Mudd College）的Jason Gallicchio 所提出的一个替代方案。

David Kaiser 说：“我们试图将随机数生成工作外包给宇宙本身，以获取最大的随机性。”

宇宙生成的实验

他们所进行的这个实验是迄今为止最大的一次量子力学检验实验。

实验计划用 6 台望远镜和一系列光学设备收集由一些星系于数十亿年前所发出的光，将验证范围扩大至了整个宇宙时空，进而判断爱因斯坦生前的著名观点，“量子力学的怪异之处不过是因为我们的认知还不完整”是否正确。

这个方案的设想很简单，但也很激进。

爱丽丝和鲍勃可以用望远镜接收由遥远天体所发出的光子，并利用每个光子的颜色属性为生成决定测量设定的随机数字。例如，较阈值波长更红的光子可在两个极化方向中的一个方向上触发测量，而较阈值波长更蓝的光子则可在另一个方向上触发测量。通过使用宇宙本身的光子来设定测量参数，并证明量子力学依然有效，我们便能证明在光向地球传播的过程中没有任何“隐藏因素”能影响测量的设定。

为了将这一设想付诸实践，Kaiser 和同事与博士生 Dominik Rauch 的主管、奥地利量子光学和量子信息研究所的 Anton Zeilinger 合作进行了多次尝试。在第一次实验中，他们将纠缠光子源放置在了维也纳 Boltzmanngasse 研究所的屋顶上，而爱丽丝和鲍勃则分别位于两座建筑中。鲍勃在自然资源和生命科学大学（University of Natural Resources and Life Sciences，）的五楼，位于光子源以北约 1150 米，爱丽丝位于奥地利国家银行的九楼，位于光子源以南约 550 米。

图丨自然资源和生命科学大学（来源：自然资源和生命科学大学）

每当夜晚降临，位于两地的研究人员就会用小型望远镜分别观察天空中南北两个方向上的恒星，而望远镜所收集到的光子信息则会被光纤传给一个能测量波长的仪器，如果光子的波长小于 700 纳米，仪器会以一种方式生成结果（比如生成数字 1），反之亦然，进而根据天体所放出的光子随机生成 0 和 1 来设置测量参数。

而与之前所有的实验一样，维也纳屋顶实验（the Vienna rooftop experiment）也表明量子力学正确，以及在光子到达地球的 600 年左右的时间里不存在能对观测设定构成影响的“隐藏因素”。

（来源：麻省理工科技评论）

但 Kaiser 和同事原本所提出的计划较维也纳屋顶实验要更为宏大，想用距地球数十亿光年的类星体作为随机数生成器。

研究团队成员，Thomas Scheidl 说：“类星体是离我们最远的物体之一，其光强可让它被光学望远镜观测到，但我们需要更大的望远镜才能进行试验。”

与维也纳屋顶实验一样，新的实验也需要三个不同的地理位置，用以安置位于两地的爱丽丝和鲍勃，以及位于他们之间的纠缠光子源。

位于 La Palma 的 Roque de los Muchachos 山顶上建有大型望远镜，对实验来说有着近乎完美的配置。爱丽丝会用意大利的伽利略国家望远镜（the Galileo National Telescope）收集光子，鲍勃会用由荷兰、西班牙和英国联合资助的 William Herschel 望远镜收集光子，而一个放有用于产生纠缠光子对的光学仪器，由集装箱制成的临时办公室则位于斯堪的纳维亚北欧光学望远镜的停车场上，这个位置几乎正好在爱丽丝和鲍勃中间，与二者分别相距约 500 米。

实验中，爱丽丝和鲍勃所观察的类星体分别距地球 78 亿光年和 122 亿光年，研究人员总共收集并分析了近一万八千对光子的数据，结果又一次表明了量子力学是正确的。

图丨位于加那利群岛拉帕尔马的意大利伽利略国家望远镜（来源：哈佛 - 史密森尼天体物理中心）

如果爱因斯坦的假象宇宙真的存在，那它可能还不在我们的搜寻范围内

由于两个类星体在天空中处于不同的方位，它们的过去光锥在仅重叠了约 131.5 亿光年，排除了 96% 的可能“隐藏因素”影响。

Kaiser 说：“实际上，它们的过去光锥一直延伸至了宇宙诞生时的大爆炸。”

图 |（来源：麻省理工科技评论）

但问题仍然存在，尽管实验解决了局部性漏洞问题，并将选择漏洞问题最小化，抽样漏洞依然存在。

实验需要通过空气将光子从光源传输到 Alice 和 Bob，这意味着需要足够多光子才能保证探测器的检测率达标。Kaiser 说：“我们甚至都没能尝试着去填补抽样漏洞。”

与此同时，由 Zeilinger 的前学生、中国科技大学的潘建伟所领导的中国团队在他们的实验中对所有三个漏洞都做采取了一些措施。

他们通过用光纤将纠缠光子从光子源传输给位于上海郊区的爱丽丝和鲍勃，进而最大限度地减少光子的损失，并用距地球约 11 光年的恒星所发出的光产生随机数用以设定观测参数，其结果也表明量子力学是正确的。

目前，两个团队正在考虑如何进一步控制漏洞对实验结果的影响，例如通过用由大爆炸产生，来自宇宙微波背景辐射的光子设定观测参数。Kaiser 说：“这是一个十分诱人但又很暗实现的设想，要知道，宇宙中没有比背景辐射更老的光子了。”

虽然两个团队的实验并不能完全肯定的说爱因斯坦的想法是错的，但大多数物理学家都已对量子力学的可靠性形成了一种共识，并不会对实验结果感到惊讶，可他们也并不排除爱因斯坦正确的可能性，只是如果爱因斯坦所设想的宇宙假如真的存在，它现在应该已经被排挤到了宇宙的一个小角落。

有关量子力学的疑问可能还会跟以前一样深不可测。但对 Kaiser 来说，这正是他们值得庆祝的原因。Kaiser 说：“我觉得现在的量子理论看起来跟以前一样好，它依然很棒。”