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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

中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、印娟、張強、陳宇翱等組成的研究團隊,在國際上首次實驗實現了基于人類自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗。他們在上述研究成果中,首先提出了基于人類自由意志、在地球-月球之間開展貝爾不等式檢驗的方案,發展了GHz亮度的糾纏源和高時間分辨探測系統,實現了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗,該成果于4月5日發表在《物理評論快報》上;在此基礎上,他們進一步與世界上多個研究小組合作,通過“大貝爾實驗”(Big Bell Test)國際合作的方式,利用超過十萬人的自由意志產生的隨機數進行了量子非定域性檢驗,相關成果于5月10日(北京時間)發表在《自然》雜志上。


早在上世紀初量子力學剛剛建立不久,以愛因斯坦和玻爾為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。隨后的幾十年,大量的實驗都證實了量子力學關于貝爾不等式的預言。但是這些實驗并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。


此前諸多貝爾不等式實驗分別關閉了兩個被大家所熟知的漏洞:“定域性漏洞(locality loophole)”和“公平采樣假設(fair-sampling assumption)”。但在這些實驗中,使用的是量子隨機數發生器產生的隨機數,隨機數的產生與糾纏的產生有可能在很久的過去被某個隱變量共同支配著,因而這種隨機數可能受到隱變量控制而不能作為真正的隨機性來源,通常被稱之為“自由選擇漏洞(measurement independence loophole)”。更普遍來說,所有利用地球上的儀器設備直接產生的隨機數都無法被嚴格用來關閉該漏洞。自由意志(Free will)是哲學里的一個專業概念,使用人的自由意志來選擇測量事件甚至用人來直接進行測量被認為是有希望徹底解決該問題的途徑之一。


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,為了讓糾纏產生、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里以上,遠遠大于地球直徑(不到1.3萬公里)。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。為此,研究團隊研制了基于PPKTP晶體0型準相位匹配和Sagnac干涉環的量子糾纏源,在16mW的低泵浦功率下每秒可產生十億對糾纏光子,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,并模擬了總共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,為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。


在此基礎上,該團隊隨后與國際上10余個知名量子研究團隊合作,開展 “大貝爾實驗”(the Big Bell Test)。該實驗召集到了世界各地超過十萬名志愿者,所有志愿者在2016年11月30日當天,通過互聯網和手機無線網絡參加項目開發的網絡實驗。在實驗中,所有志愿者都需要基于個人的自由意志不斷地進行選擇形成二進制隨機數,并記錄在互聯網云端。這些隨機數被實時和隨機地發放給分布在世界各地的相關研究團隊,用以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗,通過更多參與者的自由意志,在更廣泛的范圍內關閉了自由選擇漏洞。


上述研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部和安徽省等的支持,在大貝爾實驗志愿者召集方面得到了中國科學技術大學宣傳部、墨子沙龍和騰訊視頻的幫助。


(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


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