學院新聞

中國科大實現基于星光隨機數的貝爾不等式檢驗

發布時間:2018-08-29來源于:中國科學技術大學

近日,中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、范靖云、馬雄峰等與中科院上海微系統所和日本NTT基礎科學實驗室合作,利用遙遠星體產生隨機數,實現同時關閉探測效率漏洞和定域性漏洞的貝爾不等式檢驗,向無漏洞的量子非定域性檢驗邁出重要一步。此項研究成果以編輯推薦的形式在線發表于物理學權威學術期刊《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 121, 080404 (2018)]。


自量子力學誕生以來,包括愛因斯坦和玻爾在內的量子力學奠基人對其物理基礎的爭論就不曾停止過,直到1964年,美國物理學家貝爾提出了一個實驗方案,對量子糾纏源進行隨機關聯測量,通過其測量結果是否能夠破壞不等式(即貝爾不等式)即可判斷量子力學的基礎是否完備。憑此方案,人類第一次可以從實驗上檢驗量子力學的基礎。在過去幾十年中,世界各國的科研團隊進行了大量的實驗去檢驗貝爾不等式,量子力學也經受住了所有的檢驗。然而必須要承認的是,之前所有的實驗都存在著漏洞,物理學家完全可以利用這些漏洞,針對實驗結果給出符合經典物理定域實在性理論的解釋。2015年,國際物理學界在無漏洞的貝爾不等式實驗檢驗上取得了重大進展,國際上四個不同團隊先后完成了關閉探測效率漏洞和關閉定域性漏洞的貝爾不等式實驗檢驗。但是,控制測量的隨機數之間可能存在著關聯,以往的實驗最多只能在實驗前10-5秒保證隨機數沒有關聯,這種關聯會導致新的漏洞,即自由選擇漏洞(freedom-of-choice loophole)。


實驗裝置圖

解決這一問題的思路有兩個,一個是利用人類自由意志產生的隨機數,潘建偉團隊和合作者于今年初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,文章分別發表在《自然》[Nature 557, 212 (2018)]和《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120, 140405(2018)]上。另外一個方向則是利用遙遠星體發光產生隨機數,星體發光的偏振、波長和到達地球的時間都具有隨機性,利用這些隨機性就可以產生隨機數,而因為星體之間的距離都很遙遠,這些隨機數若存在關聯,其關聯時間也會非常遙遠。這樣就可以通過選擇遙遠的星體,盡量提前自由選擇漏洞的關閉時間。潘建偉團隊于2017年成功地獲得了星光隨機數,文章發表于《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 118, 140402(2017)]。最近,他們發展世界最優收集效率的糾纏光源和高效星光隨機數產生系統,利用11光年以外的星光產生隨機數,將自由選擇漏洞關閉時間提高了13個數量級,在同時關閉探測效率漏洞和定域性漏洞的基礎上,驗證了量子力學的完備性。


該工作被《物理評論快報》審稿人給予高度認可,評論為“絕對是一項了不起的成就”,“這項實驗精心呈現了令人興奮的結果,同時其量子力學和宇宙學的結合也將引起讀者們的極大興趣”。


系列工作標志著我國在量子力學基礎檢驗方面繼續保持國際領先地位。


該研究工作得到了中科院、科技部“973”項目、國家自然科學基金、教育部的支持。


論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.080404


(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)



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