星光下的贝尔实验


这是Sheldon的第93篇漫画,也是墨子沙龙和Sheldon合作的第14篇量子科普漫画
,所有图片大约1.9MB。




这年头,人们的小日子都比以前好咧,比如吃饭不用饭票,洗衣不用肥皂,谈恋爱不用介绍。但是很多新烦恼也出现了,比如狗主人不如狗懂礼貌,火车占座还无理取闹,好不容易消费升级又赶上买房摇号。



其中,最让人无法接受的就是买房摇号了。不过,咱今天主要不是讲买房摇号,而是要讲量子力学中的一种随机现象。因为,根据量子力学大股东玻尔的解释,做量子力学实验的许多实验结果都完全是随机产生的。不过,量子力学的随机跟买房摇号、掷骰子、扔硬币存在本质的不同。

买房摇号这样的随机性,本质上是可以预测的,叫作经典随机,例如一个下落的骰子,如果预先知道了和它相关的所有参数(骰子的初始运动状态以及与之碰撞的空气分子的状态blabla),我们是可以在它落地之前用超级计算机把结果算出来的。




而量子力学的随机本质上是无法通过任何手段预测的,就连“上帝”也不可能提前预测,这叫作量子随机



可不得了,量子力学另一个大股东爱因斯坦,急得晚上睡不着觉了。因为他觉得,量子随机肯定是假的,里面肯定有猫腻。任何量子力学实验的结果,应该都是由一种“看不见的力量”暗中决定的。

于是,为了验证量子力学之中到底存不存在真正的随机性,许多科学家展开激烈的讨论,直到贝尔提出了可实施的实验方案,才让人们有机会用实验验证这个问题。



验证量子随机性的实验过程并不复杂。总的来说,整个实验的装置通常可以分成三个部分:

 

第一部分是记录实验结果的探测器

第二个部分是不断改变测量基矢并进行量子态测量的两台测量仪,

第三部分是控制测量仪如何改变测量基矢的两个随机数源

 

其中被两台测量仪进行测量的东西,就是一对对以光速飞行的纠缠光子



 

纠缠光子进入测量仪以后,又是怎样产生随机结果的呢?这个过程比较复杂,请大家直接看注释[1]。

 

总之,实验做完以后,科学家会把大量测量的结果汇总起来。如果科学家发现结果不高于某个值,那就说明爱因斯坦猜得对,用经典理论就可以解释实验现象,量子力学不存在随机性。然而,实验结果恰恰相反,1972年,美国物理学家弗里德曼第一次通过贝尔实验发现,爱因斯坦错了,量子力学存在真正的随机性!



不过,既然做实验是为了检查量子是否具有随机性,咱们就不能把标准定得太宽松,买房摇号不是还得让公证处先检查一遍吗?于是,按照这个思路一检查,物理学家就发现,之前贝尔实验的还真的存在漏洞,其中最主要的也是最难解决的,是以下三个漏洞:



第一个漏洞叫探测器漏洞。它的意思是说,如果飞过来100个光子,探测器像狗熊掰棒子一样,掰十个丢九十个,那么实验结果就有可能以偏概全。



第二个漏洞叫局域性漏洞。它的意思是说,两台测量仪不能离得太近。如果它俩离得太近,在开始摇号到记录全部结果的那一小段时间内,它们就有可能通过那种“看不见的力量”相互传纸条,勾结起来伪造结果。当然,科学家不是说测量仪真的有一肚子坏水,他们只是为了排除可能的隐患。



第三个漏洞跟随机数源有关,叫作自由选择漏洞。它的意思是说,控制这两台测量仪的两个随机数源,必须分别独立于任何其他装置,它们产生的信号必须完全随机;最重要的是,它们不能和产生纠缠光子的装置相互勾结!



于是,在弗里德曼完成实验后的四十多年里,实验物理学家纷纷出手,想办法给这三个漏洞打上各种补丁,看看结果还有没有问题。结果,后来的每个实验都证明,量子力学真的没有猫腻,量子力学真的存在随机数。


(美编:楼上那位不爱梳头的老爷爷你好像本来就不姓爱呀…)


当然,如果你硬要从鸡蛋里挑骨头,还是能从这些实验中挑出问题来的。例如,有的实验物理学家认为,第三个漏洞补是补上了,但是补得不够彻底。如果要说控制两个随机数源没有机会和产生纠缠光子的装置发生勾结,也只能说它们在实验开始之前10微秒的时间内没法勾结。再往前倒推的话,就说不清楚了,因为你总不能穿越到过去发出信号吧?



2018年8月20日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、马雄峰等与中科院上海微系统所和日本NTT基础科学实验室合作,在《物理评论快报》发表了一篇实验论文。在新一轮贝尔实验中,他们将随机数源没有相互勾结的时间点,倒推到了11年前。



他们当然没有发明时间机器,也没有实验穿越。这个实验的方法其实也很简单,就是把这两个随机数源分别挪到11光年外和139光年外。



他们利用天上相反方向的两颗恒星当作随机数源,利用恒星发出的光来控制实验。由于最近的星星距离地球也有11光年,所以我们用来控制基矢选择的随机信号在实验开始的11年前就被决定了,即使随机数源有勾结也是在11年前发生的。



就这样,新的贝尔实验不但同时补上了探测器、局域性和自由选择三个漏洞,还把随机数源无法相互勾结的时间点,倒推到了11年前。



当然,倒推11年并不是实验的终点。如果能用宇宙大爆炸时产生的(微波背景辐射的)光子作为随机数源,那么这个时间也许可以一口气推到100多亿年前的宇宙诞生初期!



到那时,爱因斯坦可能彻底睡不着觉了!




作者:Sheldon

绘制:Mirror

美指、对白:牛猫

排版:胡豆

鸣谢:刘洋、李明翰、张强


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注释:

1. 光子产生量子随机结果的原理:

 

在纠缠光子中,每一个光子都有一个确定的偏振方向(如下图箭头所示)。这个偏振方向可以看作是由其他两个相互垂直的偏振相互叠加成的。


当一个光子进入测量仪之后,如果测量仪的测量基矢方向跟光子偏振的方向不重合,就会随机产生一个测量结果,这个测量结果就是那两个相互垂直的偏振的其中一个(下图为简化版本,贝尔实验的装置比它略复杂一些)。实际测量结果是其中的哪一个,完全是拼概率的,而且是完全无法用任何手段预测的概率。所以,这叫作量子随机。



2. 关于探测器漏洞:

 

假设一片玉米地里,有60%是黄色玉米,有40%是黑色玉米。如果探测器像狗熊掰棒子一样,掰一个,丢九个,那么当它的胳肢窝下好不容易攒下10个玉米之后,就可能看到9个黑色玉米,1个黄色玉米。于是它就会错误地估计玉米地里的玉米情况。这就是产生探测器漏洞的原理,它的正式名字叫探测效率漏洞。

 

3. 关于局域性漏洞:

 

摇号机在摇号的时候,不能发生通信。因此,两台测量仪要放得足够远,不能放在局域的空间中。于是,这个漏洞的正式名字叫局域性漏洞。

 

4. 关于自由选择漏洞:

 

控制测量仪的两个随机数源,必须产生随机信号,并通过这个随机信号控制测量仪的测量基矢。根据注释[1] 讲到的原理,正是测量基矢的方向与光子偏振方向存在不一致,才会导致量子随机的产生。因此,为了保证实验没有漏洞,这两个随机数源产生的信号,必须完全随机,不能跟任何外界装置、环境存在关联。

 

打个比方,假如随机数源和产生纠缠光子的机器有预谋,它们就可能“提前决定”做实验的时候应该发出什么光子,并且应该在哪个基矢方向测量光子。如果是那样的话,实验结果就不能算量子随机了。

 

所以,自由选择漏洞要求,每个随机数源必须和纠缠源分别保持独立无关。此时,这两个随机数源之间也会保持独立无关。所以,这个漏洞的正式名字叫自由选择漏洞。

 

5. 结尾的照片是爱因斯坦和中情局特工Cord Meyer, Jr.讨论世界政治问题,并非是在看心理医生。

参考文献:

1.Ming-Han Li, and et. al., Test of Local Realism into the Past without Detection and Locality Loopholes, Phys. Rev. Lett. 121, 080404 (2018).  




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