人类第二次能够从尝试上核算量子力学的底子,

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范靖云、马雄峰等与中科院上海微系统与信息技术研究所和日本NTT基础科学实验室合作,利用遥远星体产生随机数,实现同时关闭探测效率漏洞和定域性漏洞的贝尔不等式检验,向无漏洞的量子非定域性检验迈出重要一步。此项研究成果以编辑推荐的形式在线发表于物理学期刊《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 121, 080404 ]。

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范靖云等与清华大学、中国科学院国家天文台、中国极地研究中心研究组合作,在国际上首次实现基于探测遥远星光的随机数产生器,并提出运用该随机数产生器实现无漏洞贝尔不等式实验检验的可行性方案。此项研究成果近日发表在国际学术期刊《物理评论快报》上[Phys.Rev.Lett.118,140402]。

自量子力学诞生以来,包括爱因斯坦和玻尔在内的量子力学奠基人对其物理基础的争论就不曾停止过,直到1964年,美国物理学家贝尔提出了一个实验方案,对量子纠缠源进行随机关联测量,通过其测量结果是否能够破坏不等式即可判断量子力学的基础是否完备。凭此方案,人类第一次可以从实验上检验量子力学的基础。在过去几十年中,世界各国的科研团队进行了大量的实验去检验贝尔不等式,量子力学也经受住了所有的检验。然而必须要承认的是,之前所有的实验都存在漏洞,物理学家完全可以利用这些漏洞,针对实验结果给出符合经典物理定域实在性理论的解释。2015年,国际物理学界在无漏洞的贝尔不等式实验检验上取得了重大进展,国际上四个不同团队先后完成了关闭探测效率漏洞和关闭定域性漏洞的贝尔不等式实验检验。但是,控制测量的随机数之间可能存在着关联,以往的实验最多只能在实验前10-5秒保证随机数没有关联,这种关联会导致新的漏洞,即自由选择漏洞(freedom-of-choice loophole)。

随机性是自然界最基本的性质之一,在科学研究和现实生活如药物设计和信息加密等领域有着广泛的应用。相对于现有的随机数都产生于我们身边的物理设施,潘建伟团队基于星光从遥远天体到达地球时间的随机性,系统研究了利用距地从数百到数亿光年不同天体的星光实现高速生成随机数。实验结果表明,所有随机数都通过了随机统计检验。因为随机性产生于遥远星体,星光随机数对于基础物理研究有着极为重要的意义,特别是对于定域实在性的检验。

解决这一问题的思路有两个,一个是利用人类自由意志产生的随机数,潘建伟团队和合作者于今年初首次实验实现了基于人类自由意志和超高损耗下的贝尔不等式检验,文章分别发表在《自然》[Nature 557, 212 ]和《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett.美高梅集团官网, 120, 140405]上。另外一个方向则是利用遥远星体发光产生随机数,星体发光的偏振、波长和到达地球的时间都具有随机性,利用这些随机性就可以产生随机数,而因为星体之间的距离都很遥远,这些随机数若存在关联,其关联时间也会非常遥远。这样就可以通过选择遥远的星体,尽量提前自由选择漏洞的关闭时间。潘建伟团队于2017年成功地获得了星光随机数,文章发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 118, 140402]。最近,他们发展世界最优收集效率的纠缠光源和高效星光随机数产生系统,利用11光年以外的星光产生随机数,将自由选择漏洞关闭时间提高了13个数量级,在同时关闭探测效率漏洞和定域性漏洞的基础上,验证了量子力学的完备性。

定域性和实在性是经典物理学的两个重要理论基础。定域性指类空间隔的两个物理事件相对独立,实在性指物理系统的属性和物理测量过程相对独立。经典物理学定域实在性和量子力学非定域关联特性相违背。因而对于定域实在性的实验检验不仅是物理学,也是人类认知的一个根本问题。美国物理学家贝尔自上世纪60年代起,提出一个定域实在性实验检验的可行性方案。虽然过去大量物理实验结果都无一例外地支持量子力学,但是所有实验都存在着漏洞。经典物理学家利用这些漏洞,根据经典定域实在性理论可以完全解释实验结果。因此,实现无漏洞贝尔不等式的实验检验一直是国际上竞争最为激烈的挑战之一。

该研究工作得到了中科院、科技部“973”项目、国家自然科学基金、教育部的支持。

近年来,国际物理学界在贝尔不等式实验检验上取得了重大进展。国际上四个不同团队先后完成了没有探测效率漏洞和没有定域性漏洞的贝尔不等式实验检验。然而,对于极具挑战性的自由意志漏洞仍然没有实质性进展。针对这一问题,潘建伟团队利用星光随机性产生于遥远星体这一特点,设计并论证了在无漏洞贝尔不等式实验检验中运用星光随机数实现物理测量的自由选择,从而可以自实验前数亿年或更早关闭自由意志漏洞和否定经典定域实在性理论。因为方案相对于现有实验结果有大幅提高并切实可行,该工作被《物理评论快报》审稿人给予高度认可,评论为“这些结果令人钦佩,并且对该研究领域有重要贡献”,“实验结果是重要的,同时研究方法具有创新性”。

论文链接

该研究工作得到了中科院、科技部“973”项目、国家自然科学基金、教育部和国家天文台的支持。

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实验装置图

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