利用远古时代的星光验证量子纠缠

来自遥远古代的星光可以追溯到大爆炸后的10亿年

2017年，麻省理工学院、维也纳大学和其他地方的物理学家为量子纠缠问题提供了强有力的实验支持。这种看似违背经典物理规则的观点认为：两个粒子，无论在空间和时间上彼此之间有多远，都可以密不可分地联系在一起。例如，在宇宙相对边缘的两个粒子。如果它们真的被纠缠在一起，那么根据量子力学理论，它们的物理性质应该以这样的方式相关联：对一个粒子任何的测量都应该立即传达到另一个粒子。爱因斯坦怀疑地将这种相关性称作“远处的幽灵行动”。

1 什么是贝尔不等式

在20世纪60年代，物理学家约翰贝尔提出了一个理论极限，一旦超过了这个界限，这种量子间相关性必须有一个量子而不是经典的解释。在理论物理学中，贝尔不等式（Bell's inequality）是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。在经典物理学中，此一不等式成立。在量子物理学中，此一不等式不成立，即不存在这样的理论，其数学形式为∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy

但是，如果这种相关性不是量子纠缠的结果，而是由其他一些隐藏的、经典的物理定律来支撑的呢？这种“假设”被物理学家称为测试贝尔不等式的漏洞，其中最顽固的是“选择自由”漏洞：一些隐藏的经典变量可能会影响实验者选择的测量值。对纠缠粒子进行处理，使得结果看起来是量子相关的，而实际上并非如此。

2 使用远古星光衡量两个纠缠光子特性

去年2月，麻省理工学院的团队及其同事通过使用600年前的星光来衡量两个纠缠光子的特性。他们的实验证明，如果一个经典的机制引起他们观察到的量子的相关性，它必须在600多年前就开始运动，在恒星的光线首次发射之前，以及在实际的实验被构想之前很久才开始运动。

现在，在“物理评论快报”上发表的一篇论文中，同一个团队大大扩展了量子纠缠的案例，并进一步限制了选择自由漏洞的假设。研究人员使用遥远的类星体，其中包括78亿年前和其他122亿年前发射的光，以确定对成对纠缠光子的测量。他们发现超过30,000对光子之间存在相关性，其程度远远超过Bell最初为基于经典机制计算的极限。

麻省理工学院物理学教授与论文的共同作者艾伦古斯说：“如果通过一种实际上是经典的机制来模拟量子力学的一些现象，那么该机制将不得不在至少78亿年前开始其运作，并以某种方式确切地知道这个实验将在何时何地以及如何进行，这根本是不可能的。因此我们有非常有力的证据证明量子力学是正确的解释。”

麻省理工学院的Germeshausen科学史教授和物理学教授David Kaiser补充道：“地球大约有45亿年的历史，如果任何不同于量子力学的替代机制要利用这个漏洞影响我们的结果。这必须在地球形成之前的很久就必须存在。”

3 数十亿年前作出的决定

2014年，Kaiser和现任团队的两名成员Jason Gallicchio和Andrew Friedman提出了一项在地球上产生纠缠光子的实验。这一过程在量子力学研究中是相当标准的。他们计划向相反方向射击纠缠对的每个成员，朝向光探测器射击，该探测器也将使用偏振器测量每个光子。

研究人员将测量每个入射光子电场的偏振或方向，通过设置各个角度的偏振器并观察光子是否通过。研究人员可以比较的每个光子的结果，以确定粒子是否显示预测的标记相关性通过量子力学。

该团队为实验添加了一个独特的步骤，即使用来自古代遥远天文源（如恒星和类星体）的光来确定设置每个偏振器的角度。当每个纠缠光子在飞行中，以光速前往探测器时，研究人员将使用位于每个探测器位置的望远镜来测量类星体入射光的波长。

如果该光比某些参考波长更红，则偏振器将以一定角度倾斜，以对入射的纠缠光子进行特定测量。这是由类星体确定的测量选择。如果类星体的光比参考波长更蓝，则偏振器将以不同的角度倾斜，对纠缠光子执行不同的测量。

在之前的实验中，该团队使用小型后院望远镜来测量距离我们600光年远的恒星的光线。在他们的新研究中，研究人员使用更大、更强的望远镜捕捉来自更古老，遥远的天体物理来源的入射光：类星体的光。已经向地球传播至少78亿年。这些物体非常遥远，然而它们是如此明亮，以至于可以从地球上观察到它们的光。

4 棘手的时机

2018年1月11日，“时钟已经过了当地时间的午夜时间”，正如凯泽回忆的那样，该团队的十几名成员聚集在加那利群岛的山顶上并开始收集两个大型的数据。4全宽望远镜：William Herschel望远镜和Telescopio Nazionale Galileo望远镜，两者都位于同一座山上，相隔约一公里。

一架望远镜专注于特定的类星体，而另一架望远镜则在另一片夜空中观察另一个类星体。与此同时，位于两个望远镜之间的一个站点的研究人员在每个望远镜的相反方向上产生了成对的纠缠光子和每对光束。

在每个纠缠光子到达其探测器之前的几分之一秒内，仪器确定从类星体到达的单个光子是否更红或更蓝，然后测量自动调整最终接收并检测到入射纠缠的偏振器的角度光子。

凯撒说：“时机非常棘手，一切都必须在非常紧凑的窗户内发生，每微秒左右更新一次。”

5

揭开海市蜃楼的神秘面纱

研究人员进行了两次实验，每次实验约15分钟，并有两对不同的类星体。对于每次运行，他们分别测量了17,663和12,420对纠缠光子。在关闭望远镜穹顶并查看初步数据的几小时内，该团队可以判断出光子对之间存在强烈的相关性，超出贝尔计算的极限，表明光子以量子力学方式相关。

Guth计算出，对于两次运行中的最佳运算，基于经典物理学的机制可以实现观察到的相关性的概率大约为10到负20，即大约一千亿亿的一部分。非常小，为了进行比较，研究人员估计了希格斯玻色子的发现只有十亿分之一的概率。

然而，选择自由的漏洞仍有一个小小的开放。为了进一步限制它，该团队正在考虑进一步观察时间的想法，使用诸如宇宙微波背景光子之类的来源，这些光子在大爆炸之后立即作为剩余辐射发射，尽管这些实验将呈现一系列新的技术挑战。考虑我们未来可以设计的新型实验很有趣，但是现在，我们非常高兴我们能够如此戏剧性地解决这个特殊的漏洞。我们对类星体的实验对各种替代方案施加了非常严格的限制。量子力学看起来很奇怪，它继续与我们可以设计的每一个实验测试相匹配。