「幽靈作用」上千公里仍存在，愛因斯坦輸了嗎？

在河北興隆觀測站，「墨子號」量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗（合成照片）。新華社記者 金立旺攝

本報記者 吳長鋒

中國科學家利用量子科學實驗衛星，在相距1200千米的兩個地面站之間，成功完成了貝爾不等式的測量。這是首次實現空間尺度嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗。

最近幾天，中國「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上率先實現千公里級的量子糾纏分發，並在此基礎上首次實現空間尺度嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗，這個看似與常人不相關的新聞一度刷屏各大新聞網站。那麼，在相距1200公里距離上實現量子糾纏分發，究竟意味著什麼呢？

2016年8月，我們國家發射了一顆量子科學實驗衛星「墨子號」。它將首次開展星地間量子保密通信實驗和量子隱形傳態實驗。「墨子號」的第三個任務，就是通過向地面發射一對對糾纏光子，來驗證一下在量子力學中，「上帝」到底「擲不擲骰子」。

世紀之爭：量子力學是否完備

量子力學有很多難以理解的現象。比方說，光子可以朝著某個方向進行振動，叫做偏振。在量子力學中，一個光子居然可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態的疊加態。

但如果你拿一個儀器在這兩個方向上測量這樣的光子，就會發現，每次測量只會得到其中一個結果：要麼是水平的，要麼是垂直的。測量結果完全隨機。這就是量子力學的另一個怪現象：測量疊加態的結果「完全拼概率」！

拼概率這種怪事，讓量子力學的創始人之一愛因斯坦大感困惑，他說「上帝不擲骰子」！因此跟另一個創始人玻爾發生過一場論戰。

論戰雖然很火爆，但直到兩個人去世時，都沒有分出勝負來。因為他們的爭吵總是停留在理論上。而在物理學中，誰說了都不算，最後還得看實驗。量子糾纏是量子物理中一個最深遠和最令人費解的現象，被愛因斯坦稱為「幽靈般的超距作用」，它是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態，無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其他粒子。

儘管愛因斯坦不相信存在「遙遠地點間的詭異互動」，他認為量子力學對客觀世界的描述是不完備的，量子力學一定還有某些因素尚待發現。然而量子力學的另一位創始人玻爾認為量子力學沒有問題，這種奇異現象是存在的。20世紀二三十年代，量子力學就在他們的爭論中發展起來。

貝爾不等式：用實驗驗證對錯

1964年，物理學家約翰·貝爾提出了一個實驗方案，能夠檢驗他們誰對誰錯。他設計出一個數學公式，也就是貝爾不等式，提供了用實驗在玻爾與愛因斯坦不同觀點之間做出判決的機會。

簡而言之，貝爾要讓一台機器不斷向兩個方向發射一對對糾纏光子，然後隨機沿著不同的角度，分別對糾纏光子的偏振方向進行測量。無論它們相距多遠，只要你測量其中一個光子，另一個光子也會瞬間發生響應。這是愛因斯坦說的「鬼魅般的超距作用」。

如果量子力學如愛因斯坦所說，每單次的測量結果並不是完全隨機產生的，而是由某種人們目前可能還暫時無法理解的所謂「隱變數」操縱的，並且一個地點的測量信息即使以光速飛行，也來不及在實驗結束之前影響到另一個地點的測量，那麼實驗結果就會滿足一個不等式，叫做貝爾不等式。

在貝爾不等式的實驗中，為了保證測量事件的類空間隔，科學家總是要將兩個探測裝置相隔一定距離放置。他們每做完一輪實驗都會想，如果距離再遠一些，量子糾纏是否仍然存在，貝爾不等式的結果會不會改變？會不會受到引力等其它因素的影響？於是，在科學精神的驅使下，科學家們將探測裝置越放越遠。

如果在地面上做這個實驗，光子就會受到大氣的干擾，傳輸距離不可能太長。所以，之前科學家做過的最遠距離的實驗是相距144千米。而且，目前科學家所進行的所有實驗都支持玻爾的觀點。

但是在太空中就不同了，因為衛星軌道附近基本上是真空，大部分空氣都貼在地球表面，所以，從太空中向地面發射糾纏光子，受到的干擾就會比較小。

領跑世界：迄今最好的實驗結果

量子糾纏在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？世界首顆量子衛星「墨子號」首席科學家、中國科學院院士潘建偉說，這些基本物理問題的驗證都需要實現上千公里甚至更遠距離的糾纏分發；另一方面，要實現廣域的量子網路也自然要求遠距離的糾纏分發。

由於量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發實驗只停留在百公里的距離。

2017年6月，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、國家空間科學中心等，利用量子科學實驗衛星，在相距1200千米的兩個地面站之間，成功完成了貝爾不等式的測量。

這是首次實現空間尺度嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗。實驗結果再次表明，愛因斯坦的願望落空了，他的局域隱變數理論依然不成立。「墨子號」開展的量子糾纏分發實驗在關閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，獲得的實驗結果以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實現了嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗，再次支持了玻爾的觀點。

6月16日國際權威學術期刊《科學》雜誌以封面論文的形式刊登了中國科學家在空間量子物理研究方面取得的重大突破。《科學》雜誌審稿人稱讚該成果是「兼具潛在實際現實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破」，「絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大影響」。

「到目前為止，這是我一生中最重要的實驗研究成果。」潘建偉說：「我們首次能在太空尺度對微觀物理學定律檢驗，而且為將來開展量子引力檢驗，探索物理學中的很多基本規律奠定了必要的技術基礎，打開了一扇大門。這些技術將來還能應用於建設量子網路。」

潘建偉團隊已經確立了更為長遠的目標：「下一步，我們希望能在地月拉格朗日點上放一個光源，向人造飛船和月球分發量子糾纏。我們希望能夠通過對30萬公里或者更遠距離的糾纏分發，來觀測其性質的變化，對相關的理論作出解釋。」

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