超導(dǎo)電路的貝爾不等式違反進(jìn)一步反駁了愛(ài)因斯坦的局域性觀念

由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院固態(tài)物理學(xué)教授Andreas Wallraff領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)無(wú)漏洞的貝爾測(cè)試，以反駁阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在回應(yīng)量子力學(xué)時(shí)提出的“局部因果關(guān)系”概念�，F(xiàn)在，研究成果已發(fā)表在《自然》雜志上。

什么是量子物理

量子物理是一門(mén)研究微觀世界的科學(xué)，它揭示了原子、分子、光子等基本粒子的性質(zhì)和行為。量子物理與我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的物理規(guī)律有很大的不同，它具有一些令人驚訝甚至難以理解的特征，如疊加、糾纏和非局域性。
疊加是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)處于兩種或多種狀態(tài)的疊加，例A如一個(gè)電子可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)向上和向下。這種疊加狀態(tài)只有在測(cè)量之前才存在，一旦測(cè)量，量子系統(tǒng)就會(huì)坍縮到其中一個(gè)確定的狀態(tài)。

糾纏是指兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間存在一種特殊的聯(lián)系，使得它們的狀態(tài)相互依賴。例如，兩個(gè)電子可以糾纏在一起，使得它們的旋轉(zhuǎn)方向總是相反的。這種糾纏狀態(tài)不會(huì)因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)之間的距離而改變，即使它們相隔很遠(yuǎn)。
非局域性是指兩個(gè)空間分離的糾纏系統(tǒng)之間存在一種不能用局域因果性原理解釋的聯(lián)系。局域因果性原理是指一個(gè)事件的原因必須在它的鄰域內(nèi)找到，即沒(méi)有超過(guò)光速的信號(hào)傳遞。然而，在量子物理中，兩個(gè)空間分離的糾纏系統(tǒng)之間似乎可以瞬時(shí)地影響彼此，即使沒(méi)有任何物質(zhì)或能量在它們之間傳遞。

什么是貝爾測(cè)試

貝爾測(cè)試是一種檢驗(yàn)量子物理是否遵循局域因果性原理的實(shí)驗(yàn)。貝爾測(cè)試的思想最早由物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾在1964年提出，他證明了存在一種數(shù)學(xué)不等式，叫做貝爾不等式，如果滿足局域因果性原理的理論成立，那么這個(gè)不等式就不會(huì)被違反。然而，在量子物理中，如果兩個(gè)空間分離的糾纏系統(tǒng)之間存在非局域性相關(guān)性，那么這個(gè)不等式就會(huì)被違反。貝爾測(cè)試的具體實(shí)施方法如下：首先，我們需要準(zhǔn)備一對(duì)糾纏的量子系統(tǒng)，例如兩個(gè)量子比特，它們是一種可以用來(lái)存儲(chǔ)和處理量子信息的基本單元。然后，我們需要將這對(duì)量子比特分別送給兩個(gè)不同的參與者A和B，并讓他們分別對(duì)自己手中的量子比特進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)參與者可以在兩種可能的測(cè)量之間隨機(jī)選擇一種，并記錄測(cè)量結(jié)果。重復(fù)這個(gè)過(guò)程多次后，我們就可以用測(cè)量選擇和記錄結(jié)果來(lái)計(jì)算一個(gè)S值，用來(lái)評(píng)估非局域性相關(guān)性。如果S值大于2，那么就說(shuō)明貝爾不等式被違反。

超導(dǎo)電路如何實(shí)現(xiàn)貝爾測(cè)試

超導(dǎo)電路是一種利用超導(dǎo)材料制造出具有離散能級(jí)和可控相互作用的人工微觀結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)模擬和操作量子系統(tǒng)。超導(dǎo)電路具有高度可定制、可擴(kuò)展、可集成和可編程等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算技術(shù)的主要候選者之一。研究人員使用兩個(gè)超導(dǎo)電路制造出兩個(gè)量子比特，并通過(guò)一個(gè)30米長(zhǎng)的低溫連接線將它們連接起來(lái)。他們使用一個(gè)微波脈沖源來(lái)生成可以對(duì)兩個(gè)量子比特進(jìn)行操作和測(cè)量所需的信號(hào)，并使用一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)隨機(jī)選擇測(cè)量基。

他們首先對(duì)兩個(gè)量子比特進(jìn)行了確定性的糾纏操作，使得它們處于一個(gè)最大糾纏態(tài)。然后，他們對(duì)兩個(gè)量子比特分別進(jìn)行了快速和高保真度的測(cè)量，即在很短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量，并且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。他們使用了一種叫做單光子計(jì)數(shù)器（SPC）的裝置來(lái)檢測(cè)從量子比特發(fā)射出來(lái)的微弱信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。他們還使用了一種叫做時(shí)間標(biāo)記單元（TTU）的裝置來(lái)記錄每次測(cè)量的精確時(shí)間，并將其與隨機(jī)數(shù)發(fā)生器同步。
研究人員對(duì)超過(guò)100萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)平均S值為2.0747±0.0033，違反了貝爾不等式。這個(gè)結(jié)果表明他們實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)漏洞的貝爾測(cè)試，即沒(méi)有任何已知的物理機(jī)制可以解釋我們觀察到的非局域性相關(guān)性。