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中國科大實現基于人類自由意志的量子非定域性檢驗

發布時間:2018-05-14來源于:中國科學技術大學

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、印娟、张强、陈宇翱等组成的研究团队,在国际上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。他们在上述研究成果中,首先提出了基于人类自由意志、在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的方案,发展了GHz亮度的纠缠源和高时间分辨探测系统,实现了超高损耗下的人类自由意志参与的贝尔不等式检验,该成果于4月5日发表在《物理评论快报》上;在此基础上,他们进一步与世界上多个研究小组合作,通过“大贝尔实验”(Big Bell Test)国际合作的方式,利用超过十万人的自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验,相关成果于5月10日(北京时间)发表在《自然》杂志上。


早在上世紀初量子力學剛剛建立不久,以愛因斯坦和玻爾爲代表的兩大陣營就開始了關于量子力學基礎的爭論。1964年,約翰?貝爾提出了一種可以區分量子力學與局域實在論孰對孰錯的測試方法,即貝爾不等式。隨後的幾十年,大量的實驗都證實了量子力學關于貝爾不等式的預言。但是這些實驗並不能夠完美滿足貝爾不等式的假設條件,或多或少地存在一些漏洞,導致人們依然無法對這一爭論進行最終判定。


此前诸多贝尔不等式实验分别关闭了两个被大家所熟知的漏洞:“定域性漏洞(locality loophole)”和“公平采样假设(fair-sampling assumption)”。但在这些实验中,使用的是量子随机数发生器产生的随机数,随机数的产生与纠缠的产生有可能在很久的过去被某个隐变量共同支配着,因而这种随机数可能受到隐变量控制而不能作为真正的随机性来源,通常被称之为“自由选择漏洞(measurement independence loophole)”。更普遍来说,所有利用地球上的仪器设备直接产生的随机数都无法被严格用来关闭该漏洞。自由意志(Free will)是哲学里的一个专业概念,使用人的自由意志来选择测量事件甚至用人来直接进行测量被认为是有希望彻底解决该问题的途径之一。


潘建偉團隊提出了一個基于人類自由意志,在地球-月球之間開展貝爾不等式檢驗的實驗方案。由于人的反應時間在幾百毫秒左右,爲了讓糾纏産生、基矢選擇、探測測量等事件都滿足類空間隔條件,用于選擇測量基矢的實驗者需要相距十萬公裏以上,遠遠大于地球直徑(不到1.3萬公裏)。團隊提出利用地球、月球和地月系統拉格朗日點(L4或L5)來開展糾纏分發和貝爾不等式檢驗,如圖所示。根據目前的技術水平,一對糾纏光子從L4(或L5)點被分別發送到地球和月球上測量時,至少需要承受100dB以上的損耗,這對量子糾纏源的亮度提出了更高的要求。爲此,研究團隊研制了基于PPKTP晶體0型准相位匹配和Sagnac幹涉環的量子糾纏源,在16mW的低泵浦功率下每秒可産生十億對糾纏光子,亮度比以往實驗中使用的糾纏源提高了兩個數量級。

未來基于地月系統的Bell不等式檢驗方案示意圖

2014年,在發展使用全新超高亮度糾纏源技術的基礎上,配合自主研發的高分辨時間-數字轉換(TDC)系統,研究團隊在實驗室中成功實現了超高損耗下的貝爾不等式檢驗。實驗中糾纏光子對被分發到兩個測量端,並模擬了總共103dB的超高損耗,每個測量端由實驗者獨立、隨機地選擇測量基矢,最終在關閉自由選擇漏洞下觀察到了貝爾不等式的違背,爲未來在地月系統中開展量子非定域性的終極檢驗邁出了堅實的一步。


在此基础上,该团队随后与国际上10余个知名量子研究团队合作,开展 “大贝尔实验”(the Big Bell Test)。该实验召集到了世界各地超过十万名志愿者,所有志愿者在2016年11月30日当天,通过互联网和手机无线网络参加项目开发的网络实验。在实验中,所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数,并记录在互联网云端。这些随机数被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队,用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验,通过更多参与者的自由意志,在更广泛的范围内关闭了自由选择漏洞。


上述研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科技部和安徽省等的支持,在大贝尔实验志愿者召集方面得到了中国科学技术大学宣传部、墨子沙龍和腾讯视频的帮助。


(中科院量子信息與量子科技創新研究院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部、上海研究院)


文章鏈接:

https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.120.140405

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0085-3