在一項(xiàng)新的研究中，研究人員展示了創(chuàng)造性的策略，以擺脫長(zhǎng)期混淆量子力學(xué)測(cè)試的漏洞。通過(guò)他們的創(chuàng)新方法，研究人員能夠證明兩個(gè)間隔超過(guò)180米（590英尺）的粒子之間的量子相互作用，同時(shí)消除了過(guò)去11年中共同事件影響其相互作用的可能性。

解釋這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論文將于9月15日至19日在美國(guó)華盛頓特區(qū)舉行的光學(xué)+激光科學(xué)前沿（FIO + LS）會(huì)議上發(fā)表。

量子現(xiàn)象正在引導(dǎo)探索計(jì)算，加密，傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用，但研究人員還沒(méi)有完全理解它們背后的物理學(xué)。這項(xiàng)新工作可以通過(guò)改進(jìn)探測(cè)量子力學(xué)的技術(shù)來(lái)幫助推進(jìn)量子應(yīng)用。

物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直在努力解決關(guān)于管理我們世界的力量的不同觀點(diǎn)。雖然量子力學(xué)理論逐漸超越了經(jīng)典力學(xué)，但量子力學(xué)的許多方面仍然是神秘的。在20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一種測(cè)試稱(chēng)為貝爾不等式的量子力學(xué)的方法。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是兩方，綽號(hào)為“愛(ài)麗絲”和“鮑勃”的光子一類(lèi)的粒子，對(duì)位于相距很遠(yuǎn)但通過(guò)量子糾纏相互連接的兩方粒子進(jìn)行測(cè)量。

如果世界確實(shí)完全由量子力學(xué)支配，那么這些遠(yuǎn)程粒子將通過(guò)量子相互作用的非局部相關(guān)性來(lái)控制，這樣測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。然而，一些替代理論認(rèn)為粒子似乎只是相互影響，但實(shí)際上它們是由經(jīng)典的，而不是量子的物理學(xué)背后的其他隱藏變量連接起來(lái)的。

對(duì)于像光子一類(lèi)的粒子，貝爾定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證示意圖。不穩(wěn)定粒子的衰變會(huì)生成單態(tài)粒子對(duì)，其兩顆粒子會(huì)分別朝著相反方向移動(dòng)。假設(shè)，在與衰變地點(diǎn)相隔一段距離的兩個(gè)地點(diǎn)，分別以各種不同夾角角度θ任意設(shè)定為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，然后測(cè)量這兩顆粒子的自旋，則得到的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出這系統(tǒng)的糾纏性質(zhì)。

貝爾不等式為：|Pxz-Pzy|≤1+Pxy。其中，Ax為正的意思為在x軸上觀察到A量子的自旋態(tài)為正，而Pxz代表Ax為正和Bz為正的相關(guān)性。

在經(jīng)典力學(xué)中，此不等式成立。在量子世界中，此不等式卻不成立。

貝爾定理意味著，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦所主張的定域性原理，其預(yù)測(cè)不符合量子力學(xué)理論。由于很多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與量子力學(xué)理論的預(yù)測(cè)一致，顯示出的量子關(guān)聯(lián)遠(yuǎn)強(qiáng)過(guò)定域隱變數(shù)理論所能夠解釋?zhuān)?，物理學(xué)者拒絕接受定域?qū)嵲谡搶?duì)于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋。陷入找不到滿意解答的窘境，物理學(xué)者只能無(wú)可奈何地勉強(qiáng)承認(rèn)這是一種非因果關(guān)系的超光速效應(yīng)。

研究人員已經(jīng)進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試貝爾的不等式。然而，實(shí)驗(yàn)并不總是完美的，并且存在可能導(dǎo)致誤導(dǎo)結(jié)果的已知漏洞。雖然大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都強(qiáng)烈支持存在量子相互作用的結(jié)論，但這些漏洞仍然存在研究人員可能無(wú)意中影響隱藏變量的可能性，因此留下了懷疑的余地。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科學(xué)家，該論文第一作者李明翰博士和他的同事展示了彌合這些漏洞的方法，并增加了量子力學(xué)控制兩個(gè)粒子之間相互作用的證據(jù)。

李博士表示：“我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)漏洞的貝爾測(cè)試，其測(cè)量設(shè)置由遠(yuǎn)程宇宙光子決定。因此我們以高可信度驗(yàn)證了量子力學(xué)的完整性?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李明漢說(shuō)。是該論文的第一作者。

研究人員創(chuàng)造了糾纏光子對(duì)，并將每對(duì)中的兩個(gè)光子分布到兩個(gè)相反方向的測(cè)量站。在每個(gè)測(cè)量站，望遠(yuǎn)鏡接收來(lái)自所選宇宙輻射源的光子，該宇宙輻射源距離地球至少11光年。宇宙光子檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生隨機(jī)位，用于無(wú)漏洞Bell測(cè)試的測(cè)量設(shè)置選擇。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員關(guān)閉了檢測(cè)和局部漏洞，并推遲了時(shí)間限制。

他們的實(shí)驗(yàn)裝置包括三個(gè)主要部分：一個(gè)定期發(fā)出成對(duì)糾纏光子的裝置和兩個(gè)測(cè)量光子的裝置。用貝爾的不等式來(lái)說(shuō)，這些代表愛(ài)麗絲和鮑勃。第一個(gè)測(cè)量站距離光子對(duì)源93米，第二個(gè)站距離相反方向90米。

糾纏光子通過(guò)單模光纖傳播到測(cè)量站，在那里用普克爾斯盒測(cè)量它們的偏振態(tài)，并用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器探測(cè)光子。

在設(shè)計(jì)他們的實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究人員試圖克服三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：損失和噪聲使檢測(cè)不可靠（檢測(cè)漏洞）的想法，任何影響愛(ài)麗絲和鮑勃的測(cè)量選擇的通信都會(huì)使測(cè)量成為可能的局部漏洞，并且認(rèn)為不是“真正自由和隨機(jī)”的測(cè)量設(shè)置選擇使得結(jié)果能夠由共同過(guò)去的隱藏原因（選擇權(quán)自由漏洞）控制。

為了解決第一個(gè)問(wèn)題，李博士和他的同事通過(guò)比較光子行程開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的測(cè)量結(jié)果，證明了它們的設(shè)置達(dá)到了足夠低的損耗和噪聲水平。為了解決第二個(gè)問(wèn)題，他們建立了實(shí)驗(yàn)裝置，在測(cè)量設(shè)置選擇事件之間進(jìn)行了類(lèi)似空間的分離。為了解決第三個(gè)問(wèn)題，他們根據(jù)11年前的宇宙光子行為進(jìn)行了測(cè)量設(shè)置選擇，這提供了很高的信心，即粒子在過(guò)去11年中共享的任何內(nèi)容都沒(méi)有產(chǎn)生影響結(jié)果的隱藏變量。

將理論計(jì)算的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，研究人員能夠證明糾纏光子對(duì)之間的量子相互作用具有高度的置信度和保真度。因此，他們的實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明量子效應(yīng)而非隱藏變量是粒子行為的背后。