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中国科大实现基于人类自由意志的量子非定域性检验

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中国科大实现基于人类自由意志的量子非定域性检验

雪花又一年 2018-05-04 15:11:00 浏览381 评论0

摘要:  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。         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...

 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。


        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。


        早在上世纪初量子力学刚刚建立不久,以爱因斯坦和玻尔为代表的两大阵营就开始了关于量子力学基础的争论。1964年,约翰•贝尔提出了一种可以区分量子力学与局域实在论孰对孰错的测试方法,即贝尔不等式。随后的几十年,大量的实验都证实了量子力学关于贝尔不等式的预言。但是这些实验并不能够完美满足贝尔不等式的假设条件,或多或少地存在一些漏洞,导致人们依然无法对这一争论进行最终判定。


        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。


        潘建伟团队提出了一个基于人类自由意志,在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。由于人的反应时间在几百毫秒左右,为了让纠缠产生、基矢选择、探测测量等事件都满足类空间隔条件,用于选择测量基矢的实验者需要相距十万公里以上,远远大于地球直径(不到1.3万公里)。团队提出利用地球、月球和地月系统拉格朗日点(L4或L5)来开展纠缠分发和贝尔不等式检验,如图所示。根据目前的技术水平,一对纠缠光子从L4(或L5)点被分别发送到地球和月球上测量时,至少需要承受100dB以上的损耗,这对量子纠缠源的亮度提出了更高的要求。为此,研究团队研制了基于PPKTP晶体0型准相位匹配和Sagnac干涉环的量子纠缠源,在16mW的低泵浦功率下每秒可产生十亿对纠缠光子,亮度比以往实验中使用的纠缠源提高了两个数量级。

(未来基于地月系统的Bell不等式检验方案示意图)


        2014年,在发展使用全新超高亮度纠缠源技术的基础上,配合自主研发的高分辨时间-数字转换(TDC)系统,研究团队在实验室中成功实现了超高损耗下的贝尔不等式检验。实验中纠缠光子对被分发到两个测量端,并模拟了总共103dB的超高损耗,每个测量端由实验者独立、随机地选择测量基矢,最终在关闭自由选择漏洞下观察到了贝尔不等式的违背,为未来在地月系统中开展量子非定域性的终极检验迈出了坚实的一步。

 

        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、墨子沙龙和腾讯视频的帮助。



玩转量子力学的太空新“乐园”


        量子物理学家即将在太空拥有自己的“游乐场”。据英国《自然》杂志官网8日消息,美国国家航空航天局(NASA)的冷原子实验室将于5月20日发射升空,进入国际空间站。届时,它将成为目前宇宙中最冷的地方,研究人员将用它探测在地球上无法观察到的量子现象,如在太空制造“泡泡”“环”和“漩涡”等,从而以前所未有的方式“玩转”量子力学。


        研究人员指出,这可能促使科学家发现新物理学,推进前沿物理学的发展。


宇宙间最冷之地


量子力学的“乐园”


        该实验室由NASA的喷气推进实验室(JPL)负责。研究人员称,冷原子实验室耗资8300万美元,主要目标是制造出名为“玻色—爱因斯坦凝聚体(BEC)”的独特“超流体”物质态,供科学家研究宏观尺度上的量子力学。


        BEC是数十万个原子组成的云,当被冷却到绝对零度附近时,数十万个原子的行动保持同步,就像单一的量子物体一样。该任务项目经理、喷气推进实验室的卡姆尔·奥德瑞自豪地表示:“能够在太空进行这些实验是一项巨大的成就。”



        在地球上,一般情况下,重力在几秒钟之内就会让BEC分崩离析。但如果它们漂浮在国际空间站,应该能“存活”至少10秒钟。这一时间足够让它们被冷却到创纪录的低温——可能只比绝对零度高20万亿分之一摄氏度。


        奥德瑞说,这是宇宙中已知最冷的温度。美国国家标准与技术研究院(NIST)原子物理学家格雷琴·坎贝尔说,更冷且更“长寿”的BEC将“推动前沿基础物理领域的研究,15年来,科学家一直期盼会产生新的物理学。”


麻雀虽小五脏俱全


工具包大小的实验设备


        国际空间站可谓“寸土寸金”,所以工程师不得不压缩原子物理设备的大小,将填满一个大房间的设施压缩到一个冷藏箱大小的箱子内。该设备利用激光来冷却铷和钾原子,使它们几乎停滞不动;然后,用磁场捕捉原子云;最后,科学家将使用其他冷却技术——包括无线电波“刀”来剥离能量最高的原子等,将原子云冷却到更接近绝对零度的温度,从而创造出BEC。


        此外,工程师还必须设计屏蔽层,以保护脆弱的BEC免受密集组件和不断变化的地球磁场的干扰。而且,实验只有在国际空间站上的科研人员睡觉之后才运行,以尽量减少任何运动可能造成的干扰。


        该技术比最初设想的要简单,因为更复杂的实验室版本出现了问题,影响了真空室并且可能会导致项目延期,这导致物理学家暂时无法实现他们的最终目标——执行基于太空的原子干涉测量,这个过程会将BEC的量子波分成两部分并重新组合,得到的干涉图案让科学家可以更精确地分析重力的影响,也能让他们测试BEC是否可用作极为灵敏的旋转和重力传感器。


        不过,该任务科学家、JPL的罗伯特·汤普森说,更高级的套件应该会在2019年底到达国际空间站。



玩转量子力学


气泡、环和漩涡


        汤普森说,尽管装备不足,但物理学家仍可就目前的情况发现新物理学。届时,将有5支研究团队使用这一实验室进行实验。其中一个团队计划使用无线电波和磁场,让BEC形成约30微米的气泡形。根据量子力学,由于气泡既纤薄又没有边缘,BEC的行为应与地球上形成圆盘或球体时的行为迥然不同。


        史密斯学院理论物理学家科特尼兰·内特说,它可能更容易形成一种名为“涡流”的旋涡。在地球上,当流体下落时,试图产生气泡的过程总是以碗形状结束。她说:“除非我们能摆脱重力,否则我们根本无法获得这种形状。”


        科罗拉多大学的埃里克·康奈尔与他人共同发现BEC而荣获2001年诺贝尔物理学奖,此次,他领导的团队将尝试创造出被称为“埃菲莫夫”(Efimov)态的奇异的松散结合系统。这一物质形态以1970年提出其存在的俄罗斯理论物理学家维塔利·埃菲莫夫的名字命名,在原子结合力太弱而不能结成对,从而形成“三人组”的情况下,这些量子态会突然“现身”。这一结构与著名的拓扑结构博罗米尔(Borromean)环类似。乍看上去,博罗米尔环是三个互锁的环,但细看则不然:没有两个环是互锁的。如果打断任一个环,整个结构就分开了。只有保持三个环都完整,这些环才能结合在一起。


        核物理学家对这一结构非常感兴趣,因为它们与由中子和质子构成的罕见的三粒子核类似,而科学家目前对三粒子核知之甚少。


        康奈尔团队希望创造最简单的埃菲莫夫态,以及其受激发的膨胀态。在受激发的埃菲莫夫态中,尽管原子间存在细菌大小的缝隙,但其彼此依附。华盛顿州立大学铂尔曼分校的物理学家玛伦·莫斯曼说,康奈尔团队也许能制造出由4个原子组成的此类结构——所谓的四聚体(tetramer)。


        自1997年加入JPL,汤普森一直致力于创建这样的太空实验室。他认为,目前的实验室是向更复杂的太空原子物理实验室迈出的关键一步。NASA正与德国航空航天中心(DLR)携手建造一个名为BECCAL(玻色-爱因斯坦冷凝体和冷原子实验室)的设施。


原文发布时间为:2017-03-23
本文作者:windy
本文来源:九州量子,如需转载请联系原作者。

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