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爱因斯坦留下世界难题:中国量子大突破

爱因斯坦和玻尔留给后人的世纪谜题

量子力学建立初期,“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇,爱因斯坦将其称之为“遥远地点之间的诡异互动”。

量子力学中的所谓纠缠是这样一种现象:两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的关联状态,两个粒子的状态原本都未知,但只要测量其中一个粒子,就能立即知道另外一个粒子的状态,哪怕它们之间相隔遥远的距离。过去的大半个世纪里,这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。

上世纪,关于纠缠现象的看法将物理学家划分成了两派:以玻尔为代表的哥本哈根学派认为,对于微观的量子世界,所谓的“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义;但爱因斯坦等科学家无法接受这种观点,他们认为量子力学是不完备的,测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定,只是我们没能探测到它。

中国墨子号量子卫星检验了啥?

1935年,爱因斯坦和Podolsky及Rosen一起发表了一篇题为 Can quantum mechanics description of physical reality be consideredcomplete 的文章,论证量子力学的不完备性,通常人们将他们的论证称为EPR佯谬或者Einstein定域实在论。

玻尔和爱因斯坦为此争论了50年,直到他们最后去世问题也没有得到解决,一直吸引着后人想要去验证。

如何验证呢?

说到定域实在论,其实包含了两方面的含义:第一,物理实在论:任何一可观测的物理量必定客观上以确定方式存在,如果没有外界扰动,可观测的物理量应具有确定的数值;第二,定域因果性:如果两个事件之间的四维时空是类空间隔的,则两个事件不存在因果关系。

基于这个理解,1964年,爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“贝尔不等式”,该定理对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。如果实验上贝尔不等式不成立,则意味着从定域实在论出发的预期不符合量子力学理论,也就是说,量子世界本身就是概率性的。

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一直以来,人们设计了各种实验方案验证贝尔不等式正确与否,陆陆续续地,一些实验小组的结果倾向于支持贝尔不等式的破坏——即证明了量子力学的正确性。

第一个真正确定性的实验是由法国物理学家阿斯派克特做出的,他们在上世纪七十年代做出的三个实验给出了量子力学非定域性的明确结论,但是最初的这些实验验证仍然存在漏洞。近年来不同国家的实验小组都尝试在实验中逐步关闭了局域漏洞、自*由选择漏洞和探测效率漏洞,所有的实验结果都支持量子力学的结论,证明定域实在论是错误的。

Bell不等式走出实验室,飞向更远处

Bell不等式的破坏在实验室被验证,那么在更大的尺度上情况又如何呢?如果人们能在更远的距离验证量子纠缠的存在,也就意味着在更大的空间尺度上验证量子力学的正确性。于是,人们想要带Bell不等式往更远的地方飞去。但是在更大尺度上进行实验,存在一个拦路虎——衰减。这是什么意思呢?

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