實驗證明量子糾纏現象的確存在

2023-03-30 06:41:00 1

愛因斯坦錯了？將近一個世紀以來，科學家們一直在試圖弄清量子糾纏效應背後的機制，因為這一現象似乎是與現有物理理論不相容的。簡單而言，這種現象是說兩個亞原子粒子相互之間可以具有某種神秘的「聯繫」，這種聯繫不受時間和空間的限制。最近，一個研究小組開展的一項實驗決定性的證明了，當年曾被愛因斯坦嘲諷為「幽靈般的超距作用」的現象的確是真實存在的。

量子糾纏效應描述了一個亞原子粒子的狀態可以立即對另外一顆亞原子粒子的狀態產生影響的現象，不論這兩顆粒子之間相距有多麼遙遠。這樣明顯「反常」的現象惹惱了愛因斯坦，因為在他看來，在空間中兩點之間以超越光速的速度傳遞信息顯然是不可能的。

1964年，物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)設計了一項實驗，旨在排除那些隱變量，從而能夠為這種「超距作用」找到一種不那麼詭異的解釋。然而在所有的貝爾實驗中幾乎都含有漏洞，批評者們認為這些漏洞會讓他此後的整個證明都出現差錯。

而在最近，英國《自然》雜誌刊發了一篇論文，在這篇最新論文中，一個研究小組宣布當年貝爾實驗中的兩個最重要的漏洞已經得到了修補。一個荷蘭研究組將一組糾纏電子對分別囚禁於代爾夫特大學校園兩端(相距1.3公裡)的兩個勢阱中，通過精密的實驗設計，研究組確保這兩個粒子之間沒有機會建立起「秘密」的聯繫。

電子擁有一項磁場屬性，即所謂「自旋」，其指向可能朝上或是朝下。在進行直接觀測之前，是完全沒有辦法知道這兩個粒子當前是處於哪一種狀態的。事實上，由於量子理論的怪異本質，這兩個粒子實際上應當說正處於這兩種狀態的「疊加態」。這也就是說，只有當觀測行為發生時你才能確定其現實狀態究竟為何，這就有點像是一枚旋轉翻滾的硬幣，只有在被抓住停下時，你才能知道它究竟那一面朝上。

這項研究的第一作者倫納德·漢森(Ronald Hanson)教授表示：「當兩個電子之間形成糾纏時，事情就會變得非常有意思。它們的狀態應當是同時處於朝上或朝下的疊加態，但在被觀測時，則總是表現為一個朝上，另一個朝下的狀態。這兩者之間建立了某種完美的關聯性，當你觀測其中一個粒子，那麼此時另外一個粒子就會自動變成與其相反的狀態。這樣的關聯變化是瞬間發生的，即便另外一個粒子遠在星系的另一端也是一樣。」而其他粒子性質上也同樣具有類似的糾纏關聯性。

貝爾實驗所測量的是糾纏粒子對兩個成員的各自屬性，具體測量方式則取決於不同的「問題」，根據不同的問題，對不同的粒子性質進行測量。這項新測試利用多個糾纏電子對，並確保所有糾纏電子對都接受測量，以便研究組消除檢測漏洞。除此之外，兩臺探測器之間1.3公裡的距離也已經足夠長，在進行觀測所需的時間內，光子將無法及時在兩個粒子之間傳遞信息，以此消除定域性漏洞。

納米技術專家，倫敦大學學院的約翰·莫頓(John Morton)教授表示：「這是令人興奮的，儘管科學家們對於的確存在著被愛因斯坦稱作『鬼魅般超距作用』的量子物理現象仍然感到有些難以接受。」這樣一件事仍然是極為反直覺的，它對我們的哲學思想提出了重大的挑戰。

莫頓指出：「此前進行的貝爾實驗在設計上都存在著這樣或那樣的漏洞和缺陷，因此人們可以就此否定其實驗所得結果的可信性，從而拒絕接受這種『鬼魅般』作用真實存在的想法。然而此番由漢森教授以及合作者們完成的實驗則修補了此前的實驗設計中幾項最為重要的漏洞。」他說：「其次，開展這樣的實驗需要克服一些重大現實挑戰，本次實驗的成功標誌著一個裡程碑，它顯示了人類在長距離範圍內實現對光與物質在最深層面上操控的能力。」

英國伯明罕大學教授凱·伯恩斯(Kai Bongs)表示：「這一實驗是對經典實驗與量子現象之間顯著差異性的完美展示，它支持我們的這樣一種預期，即量子技術的發展將賦予我們前所未有的能力，去創造更美好的未來。」這項實驗也具有潛在的巨大實用價值，展示了利用量子糾纏技術實現絕對安全加密通訊技術的可行性。