科学家用遥远的类星体证实“幽灵”量子纠缠

科学家用遥远的类星体证实“幽灵”量子纠缠

如果你读了足够多的科学新闻,你就会知道有一长串实验试图“证明爱因斯坦是错误的”。到目前为止,还没有人反驳过他那标志性的相对论。

长期以来,科学家们一直在进行测试,以证明“纠缠”这一量子概念迫使我们接受一些没有多少逻辑意义的东西。但是为了避开以前在地球上进行的试验的漏洞,科学家们最近已经把他们的实验与观测宇宙的望远镜连接起来了。

这项研究的作者之一、麻省理工学院的大卫·凯泽说:“我们已经把随机性外包到了宇宙最遥远的地方,数百亿光年之外。”

让我们从头开始:量子力学将宇宙中最小的粒子描述为具有一组受限的固有属性,这对我们人类来说基本上是一个谜,直到我们测量它们为止。量子力学的数学引入了两个粒子可以成为“纠缠”的观点,因此它们的联合特性必须用同样的数学机制来描述。但问题是:如果你将这些粒子分离到宇宙的两端并测量它们,它们将保持这种可怕的联系;你仍然可以通过测量另一个粒子来推断出一个粒子的性质。

爱因斯坦以及鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森认为,有两件事中的一件可能会导致这种“鬼魅般的超距作用”,正如爱因斯坦所描述的那样。要么粒子以某种方式传播速度超过光速(爱因斯坦的理论证明了这是不可能的),要么存在人类无法获取的隐藏信息,确保粒子一开始就具有这些相关的值。

科学家用遥远的类星体证实“幽灵”量子纠缠

但约翰·斯图尔特·贝尔的理论认为,隐藏的信息永远不可能准确地再现量子力学迫使粒子做的事情。自20世纪60年代以来,科学家们设计了越来越复杂的方法来检验这一理论。

这些测试通常看起来很相似。科学家们产生了一对纠缠光子,每个光子具有两个偏振态中的一个。想象一下,从某个角度看,两个光子要么是小的垂直线,要么是水平线。当光子纠缠时,会有相同的偏振态--不管是水平的还是垂直的,直到测量为止都是个谜。科学家们将光子送到两个遥远的探测器,从两个角度测量光子:偏振和纠缠可见的角度,或者一个不同的角度(如果从这个不同的角度观察光子,它们就会变得不纠缠)。每个探测器都在等待粒子的出现,如果所有的粒子排成一列,就会产生一个同步的光点。对于纠缠粒子组,这些同时出现的光点应该比未纠缠粒子组更频繁地出现。

超过某一阈值的同时光点的某些百分比将证明爱因斯坦、波多尔斯基和罗森是错误的,它将证明在物理定律中没有预先确定粒子恒等式的隐藏变量。

但是有一个漏洞,也许仪器以某种方式影响了测量,并迫使光子携带同样的偏振?为了防止这种情况发生,科学家们在两个测量角度之间随机切换探测器。然后是下一个漏洞:如果确定测量角度的随机数发生器不是真正随机的怎么办,如果我们所看到的随机性实际上是由物理定律所决定的,物理定律将人类带到这一点,那又会怎样呢?。

科学家用遥远的类星体证实“幽灵”量子纠缠

两组科学家通过将他们的随机数发生器连接到一对望远镜上来解决这个问题。在更引人注目的情况下,包括凯撒在内的团队利用两台望远镜在加那利群岛的拉帕尔马进行工作:一台是伽利略望远镜,它指向天空一侧发出77.8亿年前和32.2亿年前发出光的明亮光源,另一台是威廉·赫谢尔望远镜,它指向122.1亿年前发射的光源。如果每个望远镜观测到比参考颜色略蓝的光,其相应的探测器将在一个设置中测量光的偏振。如果光线稍微红一点,那么探测器将使用另一种设置。

这篇发表在“物理评论快报”上的论文称,在一项对3万对粒子的测试中,它们的偏振关系过于紧密,以至于无法用这些局部隐藏变量理论解释。这意味着,任何可能影响这两个粒子的隐藏力量都需要发生在数十亿年前,才能以某种方式影响科学家们在地球上测量这些粒子的方式。或者,更有可能的解释是,量子力学无法用隐藏的变量来解释。看来似乎爱因斯坦错了。

研究人员仔细考虑了可能使他们的测量结果有误的天文现象。例如,他们选择了一种不被星际气体吸收的光的颜色来测量,并且他们确保将引力和宇宙膨胀考虑在内。第二个类似的实验也发表在“物理评论快报”上,支持了这两篇论文的证据。

量子力学的古怪继续令人难以置信。这种奇怪的现象是量子计算机这个新兴领域的核心,量子计算机依赖于纠缠来完成他们的计算。

科学家们也许可以通过使用更深层次的光来进一步完善这些测试。


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