“量子力学“幽灵超距作用”通过最严格的检验”

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最新的实验填补了迄今为止验证量子力学“超距离作用”时的漏洞，最终证明了爱因斯坦是错的。 这个发现有助于改进数据加密技术，使数据传输更安全。

约翰·贝尔( john bell )设想的实验表明自然界中不存在爱因斯坦那样的“隐藏变量”。 物理学家现在设计完成了贝尔的实验，得出了完美的结论。 图片来源: cern

对爱因斯坦和黑客来说，今天可能是最糟糕的一天。 众所周知，爱因斯坦厌恶量子力学的“幽灵般的超距离作用”。 也就是说，操作一个物体很快就会影响远处以外的另一个物体。 但是，这种量子效应通过了迄今为止最严格的检验，说明它是量子世界与生俱来的一部分。

一位物理学家认为标准量子力学过于违背直觉，迅速发展了符合直觉的微观世界模型，但在荷兰进行的这个实验彻底破坏了他们最后的希望。 这个发现也有助于量子工程师研究新一代超安全加密装置。

“从基础物理学的角度来看这是历史性的”瑞士日内瓦大学的物理学家尼古拉斯·吉辛( nicolas gisin )说，他没有参与这项研究。

在量子力学中，物体可以处于多个状态，即重叠状态。 例如，原子可以位于两个位置，也可以具有相反方向的自旋，但测量物体时会“坍缩”成特定的状态。 另外，不同物体的性质可以发生“纠缠”。 也就是说，一旦测量出一个物体的性质，与其缠绕的另一个物体的性质也会发生变化。

爱因斯坦之所以痛恨，是因为这似乎意味着这种“幽灵般”的相互作用在遥远的粒子之间也能瞬间传播，这与没有什么东西能超过光速的普遍相反。 他说量子粒子的性质其实在测量之前就已经决定了，被称为“隐变量”，我们不能观测它，但是“隐变量”事先决定了处于纠缠态的粒子的行为，使它们看起来有相互作用。

20世纪60年代，爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了一种检验方法，来区分粒子的行为是符合爱因斯坦的隐变量理论还是处于量子力学的“幽灵作用”。 他通过计算发现，隐变量可以解释的相干性是有上限的。 超过那个上限的话，爱因斯坦的模型一定是错的。

自1981年法国光学研究所由阿兰·阿斯佩( alain aspect )领导的团队进行第一次贝尔实验以来，进行了更多的实验，所有的实验都支持了“幽灵”假说。 但是，每个实验都有一点漏洞，物理学家没能完全出局爱因斯坦的意见。 在光子相关的实验中，“检测漏洞”( detection loophole )很常见。 因为实验无法检测到产生的所有光子，所以有时会漏掉80%的光子。 因为这个实验者假设检测到的光子的性质代表整个光子集团。

为了不发生“探测器的脆弱性”，物理学家一般采用比光子更容易追踪的粒子，例如原子。 但是，对原子来说，即使距离很远也很难不破坏纠缠，如果纠缠中的原子距离太近，一个原子的测量就会影响另一个原子的行为，产生不违背光速极限的“通信脆弱性”。

8月24日，由荷兰代尔夫特大学物理学家罗纳德·汉森( ronald hanson )率领的团队在论文压印本网站arxiv上发表了最新论文，报道了实现第一个例子，进行了检测漏洞和通信漏洞的贝尔实验。 这个研究小组采用了被称为“纠缠交换”( entanglement swapping )的巧妙技术，能够将光子和物质粒子的利益联系在一起。 他们首先取了德尔夫特大学两个不同实验室的一对非纠缠电子，彼此距离为1.3公里，每个电子与一个光子纠缠，这两个光子被送到了第三个地方。 在第三个地方，他们纠缠着这两个光子，与光子纠缠，与光子纠缠，两个电子也处于纠缠状态。

这个过程未必每次都会成功。 9天内，该组共产生了245对纠缠电子，最终的测量结果表明两个电子之间的相干性超过了贝尔的极限，再次支持了标准量子力学的观点，否定了爱因斯坦的隐变量理论。 不仅如此，由于电子容易检测，检测漏洞不是问题，两个电子之间的距离足够远，通信的漏洞也被填补。

“这真是一个精巧优美的实验。 ”维也纳大学的量子物理学家安东·蔡林格( anton zeilinger )说。

“几年后，如果这篇论文的作者和首次进行贝尔实验的阿斯佩等人获得了诺奖，我并不惊讶。 加拿大圆周理论物理研究所( perimeter institute )的量子物理学家马修·赖费尔( matthew leifer )说:“这真是令人兴奋。”

赖菲尔还表示，无漏洞的贝尔检测对量子密码技术也有深远的意义。 许多企业已经销售了使用量子力学原理阻止窃听的系统，这些系统可以生成处于纠缠状态的光子对，将一个光子发送给第一个客户，另一个光子发送给第二个客户，这两个客户可以将光子变成只有他们两个人知道的密钥 因为观测任意量子系统都会破坏其特征，如果有人试图窃听这个过程，就会产生可观测的效果，从而触发警报。

但是，如果这样的系统存在漏洞，特别是如果观测漏洞的话，更狡猾的窃听者会找到窃取新闻的方法。 利用这个漏洞，恶意企业可以出售所谓的“量子纠缠加密系统”，顾客认为他们的粒子处于纠缠状态，但实际上企业可以暗中监视他们的消息。 1991年，量子物理学家阿瑟·埃克特( artur ekert )提出，在加密技术中采用贝尔测试，可以保证该系统中的过程是完全量子的。 但是，为了达到这个目的，贝尔测试必须清除黑客可能利用的漏洞，代尔夫特大学的实验最终表明量子加密技术是完全安全的。

但是，日内瓦量子密码企业( id quantique )的领导人吉辛也指出，纠缠交换的想法在现实中很少实现。 这个研究小组花了一周多的时间生成了数百个纠缠电子对，但是量子密钥需要解决每分钟几千比特的数据。

蔡林格最后也指出可能有哲学漏洞，贝尔自己首先发现:爱因斯坦的“隐变量”可能还存在，操纵实验者测量什么性质的选择，使其相信量子理论是正确的。

但是，莱茵并不太担心这个“自由选择的漏洞”。 “有一个‘超决定论’可能存在，在大爆炸时期决定了所有的测量选择，但这个想法不能伪证，所以我想很多物理学家不会为此而烦恼。 ”。 (执笔文:泽亚梅拉利翻译:丁家琦)

来源：成都新闻网