頂尖科學家實驗探求量子力學中的「鬼」

隨著量子計算、量子通訊等相關技術的發展，量子力學已經是現今科技發展的重要理論基石之一。

然而量子力學天生的隨機屬性，讓它一直難以真正令那些決定論的支持者信服。這其中就有偉大的阿爾伯特·愛因斯坦。他首先拒絕承認「上帝會擲骰子」，而對於量子糾纏態表現出的反常識的超距作用，愛因斯坦對此的形容是「spooky」（韋氏字典的解釋為1.嚇人的，2.表示鬧鬼的）。

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而如今，一群全球頂尖的宇宙學家和量子物理學家在維也納做了一個實驗，他們使用恆星光線來控制糾纏態下的光子，試圖進一步了解量子糾纏態發生的機理和限制條件，以便能夠捉到愛因斯坦所說的那隻「鬼」，該實驗及其結果發表在了2月7日的《Physical Review Letters》上。

日內瓦大學的量子物理學家尼古拉斯·吉辛（Nicolas Gisin）說，「從技術上講，這個實驗是著實令人印象深刻的。」

根據量子理論，粒子並沒有確定的狀態，至少在測量之前我們都只能談概率；而當測量發生時，它們卻彷彿如骰子被擲完一般擁有了確定的結果。

更古怪的是，兩個粒子可以進入「糾纏」的狀態，不在擁有各自的概率，而需要更加複雜的概率函數將它們作為整體進行描述。該函數可以指定兩個糾纏的光子在相互垂直的方向偏振，光子A在豎直方向偏振，光子B在水平方向偏振，或者相反。兩個光子可以相距數光年，但它們依然是聯繫的：如果測量光子A得到的結果是為豎直方向的偏振，那麼光子B就會瞬時變為水平偏振，即使測量之前並不知道B的狀態，兩個粒子間也沒有傳遞信息。

這就是所謂的「鬼魅般的超距作用」，而在上世紀30-40年代，愛因斯坦則以此質疑量子力學的完備性。

在1964年，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）發現了一種方法可以檢驗這個矛盾。他證明，如果粒子具有確定的狀態，即使沒有人在觀察（「realism」，編者認為應翻譯為客觀性），而且如果確實沒有信號傳播得比光快（「locality」，即「局域性」），那麼粒子間的關聯性應具有上限，而且這個上限可以在兩個粒子的已測量狀態里被觀察到。

然而，實驗結果一次又一次地表明，糾纏態下粒子的關聯性比貝爾的上限更高，因此更加傾向於充滿隨機性的量子力學世界觀。

只有一個問題：除了局域性和客觀性，貝爾還使用了另一個微妙的假設推導他的公式，幾十年來這個假設在很大程度上都被人們忽視了。

新論文的合作者之一、來自麻省理工學院的安德魯·弗里德曼（Andrew Friedman）表示：「貝爾定理中三個相關的假設是局域性、客觀性和自由度。最近人們發現，極少量地降低自由度變可以保持局域性和客觀性。」

「選擇自由度」（freedom-of-choice）成為了研究量子糾纏態相關理論的一個漏洞。

在貝爾測試中，糾纏的光子A和B被分離並發送到互相遠離的光學調製器（選擇性透過光子的裝置），它們的原理是根據調製器與光子的偏振方向相同或是垂直來選擇讓光子通過還是將其阻擋。

貝爾不等式給出了在一個局部客觀的宇宙中，光子A和B同時通過它們的調製器並被檢測到的頻率上限。（實驗結果表明糾纏光子間這種相關性的發生頻率高于貝爾極限。）

其中有一個條件至關重要，貝爾公式假設兩個調製器的設置與被測試粒子的狀態無關。在實驗中，研究人員通常使用隨機數發生器來設置器件的取向角度。然而，如果一旦調製器的設置並非完全獨立（事實上隨機數發生器給出的也不是完全的「隨機數」）——即自然對可能的選擇有某種限制，那麼這些調製器的設置將有可能與實驗開始之前的粒子狀態發生關聯——這些減少的自由度可以用來解釋貝爾極限為什麼會被打破，而此前一般來說，大家都會把一切歸咎於量子糾纏。

弗里德曼對此的解釋是，我們可以把宇宙看作一個餐廳，餐廳里的菜單上有10個選項，你可以點10個中的任何一個。但是有可能雞肉賣光了，那麼事實上就只有5樣東西真的在菜單上，因此你其實是高估了自己的自由度。

「同樣，當你設置了實驗卻發現看似違反局域客觀性，那說明可能存在未知數、約束條件、邊界條件、守恆定律等等，最終以某種微妙的方式限制了你的選擇數。」

目前就職於澳大利亞格里菲斯大學的邁克爾·霍爾（Michael Hall），研發了一種將自由度減少進行量化的方法，自此上述研究開始得到人們的關注。

在貝爾測試中，調製器有兩種可能的設置（對應於1比特信息：1或0），因此，若要保證兩個調製器相互獨立，需要2比特信息來指定它們的設置（每個調製器1比特）。但是霍爾證明了以下問題，一旦設置間不是完全獨立——哪怕每22次運行中只有一次，由一個比特來指定兩個調製器——僅僅如此便可以讓這在22次運行中，可用的測量設置數量減少一半。而這個自由度下降引起的相關性增加便足以超過貝爾極限，進而產生量子糾纏的假象。

現今，人們逐漸意識到信息和時空幾何之間存在的關聯，在這個背景下，大自然可能在限制自由度並同時保持局域客觀性的觀點就變得更有吸引力。

例如，關於黑洞的研究表明，單位體積的時空的引力越強，在該區域中可以存儲的比特就越少。因此，事實上引力能夠從宇宙飯店的菜單中悄悄抽去選項，同時也可能減少貝爾測試中可測量設置的數量。

但是問題在於，到底如何區分自由度減少和局域客觀性的缺失呢？

來自MIT的弗里德曼、阿蘭·古斯（Alan Guth）和維也納大學的馬丁·采靈格（Martin Zeilinger）一起提出了一個想法，或許可以解決這一難題。

這些科學家們基於這個想法設計了一系列的「宇宙貝爾實驗」，其中的第一步就是，從采靈格位於維也納的實驗室屋頂，通過打開的窗戶向其他兩個建築物中實驗室里光學調製器發送偏振光子。

與以往實驗不同的是，在每次測量之前，實驗團隊會降低調製器設置與光子狀態發生關聯的可能性。他們從窗口伸出天文望遠鏡，讓每個望遠鏡指向一顆一個明亮且位置合適（隨機選擇）的星星。在每次測量之前，他們使用來自恆星的入射光子的顏色來設置相關調製器的角度。這些光子在數百年前就從恆星出發，並確定了狀態，這樣就基本確定這些「來自星星」的光子獨立於被測量光子的狀態。

然而實驗結果依舊是相關性超出貝爾的上限。這讓科學家們更傾向於相信，實驗中的偏振光子的確具有「鬼魅般的超距作用」。

但是，嚴格來說，自然是否可以在實驗開始前600年就通過某種手段降低此次實驗設置的可設置數量，這種可能性目前是無法排除的。霍爾調侃道，在這種可能性被證實前，我還是先享受著（量子糾纏）的謬誤吧。

然而研究還是需要繼續的，團隊計劃下一步使用來自更遠的類星體的光來控制儀器設置，用更加古老的光子來研究設備設置和自由度限制之間的相關性。團隊有可能（儘管極不可能）會發現一個過渡點，其中測量設置會變得不相關，不再違背貝爾極限——這將證明愛因斯坦對「超距作用」的懷疑是對的。

「對我們來說，這似乎是一種雙贏，」弗里德曼說道，「或許我們會排除越來越多的漏洞，讓我們對量子理論更為堅定，又或者我們為物理學掀開全新的篇章。

此外，還存在一種很多物理學家都不喜歡的解釋（即超決定論）：宇宙也許從一開始就限制了自由度——每次的測量其實都逃不脫在大爆炸時就建立的相關性。

瑞典Link?ping大學的物理學家楊·艾克·拉爾森（Jan-?keLarsson）說：「超決定論是不可知的。」

宇宙貝爾測試的團隊將永遠不能排除在星星、類星體或天空中的任何其他光之前存在的相關性。這意味著「選擇自由度」的漏洞永遠也堵不上。

但是如果要在量子糾纏和超決定論之間做出選擇，大多數科學家還是更喜歡糾纏——以及伴隨的自由。「如果相關性確實是在大爆炸之前就預先設定好的，」拉爾森說，「我覺得這是一個無聊的世界觀。我不敢相信這是真的。」

編輯：阿卓

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

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