利用遠古時代的星光驗證量子糾纏
來自遙遠古代的星光可以追溯到大爆炸後的10億年
2017年，麻省理工學院、維也納大學和其他地方的物理學家為量子糾纏問題提供了強有力的實驗支持。這種看似違背經典物理規則的觀點認為：兩個粒子，無論在空間和時間上彼此之間有多遠，都可以密不可分地聯繫在一起。例如，在宇宙相對邊緣的兩個粒子。如果它們真的被糾纏在一起，那麼根據量子力學理論，它們的物理性質應該以這樣的方式相關聯：對一個粒子任何的測量都應該立即傳達到另一個粒子。愛因斯坦懷疑地將這種相關性稱作“遠處的幽靈行動”。
1 什麼是貝爾不等式
在20世紀60年代，物理學家約翰貝爾提出了一個理論極限，一旦超過了這個界限，這種量子間相關性必須有一個量子而不是經典的解釋。在理論物理學中，貝爾不等式（Bell's inequality）是一個有關是否存在完備局域隱變量理論的不等式。在經典物理學中，此一不等式成立。在量子物理學中，此一不等式不成立，即不存在這樣的理論，其數學形式為∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy
但是，如果這種相關性不是量子糾纏的結果，而是由其他一些隱藏的、經典的物理定律來支撐的呢？這種“假設”被物理學家稱為測試貝爾不等式的漏洞，其中最頑固的是“選擇自由”漏洞：一些隱藏的經典變量可能會影響實驗者選擇的測量值。對糾纏粒子進行處理，使得結果看起來是量子相關的，而實際上並非如此。
2 使用遠古星光衡量兩個糾纏光子特性
去年2月，麻省理工學院的團隊及其同事通過使用600年前的星光來衡量兩個糾纏光子的特性。他們的實驗證明，如果一個經典的機制引起他們觀察到的量子的相關性，它必須在600多年前就開始運動，在恆星的光線首次發射之前，以及在實際的實驗被構想之前很久才開始運動。
現在，在“物理評論快報”上發表的一篇論文中，同一個團隊大大擴展了量子糾纏的案例，並進一步限制了選擇自由漏洞的假設。研究人員使用遙遠的類星體，其中包括78億年前和其他122億年前發射的光，以確定對成對糾纏光子的測量。他們發現超過30,000對光子之間存在相關性，其程度遠遠超過Bell最初為基於經典機制計算的極限。
麻省理工學院物理學教授與論文的共同作者艾倫古斯說：“如果通過一種實際上是經典的機制來模擬量子力學的一些現象，那麼該機制將不得不在至少78億年前開始其運作，並以某種方式確切地知道這個實驗將在何時何地以及如何進行，這根本是不可能的。因此我們有非常有力的證據證明量子力學是正確的解釋。”
麻省理工學院的Germeshausen科學史教授和物理學教授David Kaiser補充道：“地球大約有45億年的歷史，如果任何不同於量子力學的替代機制要利用這個漏洞影響我們的結果。這必須在地球形成之前的很久就必須存在。”
3 數十億年前作出的決定
2014年，Kaiser和現任團隊的兩名成員Jason Gallicchio和Andrew Friedman提出了一項在地球上產生糾纏光子的實驗。這一過程在量子力學研究中是相當標準的。他們計劃向相反方向射擊糾纏對的每個成員，朝向光探測器射擊，該探測器也將使用偏振器測量每個光子。
研究人員將測量每個入射光子電場的偏振或方向，通過設置各個角度的偏振器並觀察光子是否通過。研究人員可以比較的每個光子的結果，以確定粒子是否顯示預測的標記相關性通過量子力學。
該團隊為實驗添加了一個獨特的步驟，即使用來自古代遙遠天文源（如恆星和類星體）的光來確定設置每個偏振器的角度。當每個糾纏光子在飛行中，以光速前往探測器時，研究人員將使用位於每個探測器位置的望遠鏡來測量類星體入射光的波長。
如果該光比某些參考波長更紅，則偏振器將以一定角度傾斜，以對入射的糾纏光子進行特定測量。這是由類星體確定的測量選擇。如果類星體的光比參考波長更藍，則偏振器將以不同的角度傾斜，對糾纏光子執行不同的測量。
在之前的實驗中，該團隊使用小型後院望遠鏡來測量距離我們600光年遠的恆星的光線。在他們的新研究中，研究人員使用更大、更強的望遠鏡捕捉來自更古老，遙遠的天體物理來源的入射光：類星體的光。已經向地球傳播至少78億年。這些物體非常遙遠，然而它們是如此明亮，以至於可以從地球上觀察到它們的光。
4 棘手的時機
2018年1月11日，“時鐘已經過了當地時間的午夜時間”，正如凱澤回憶的那樣，該團隊的十幾名成員聚集在加那利群島的山頂上並開始收集兩個大型的數據。4全寬望遠鏡：William Herschel望遠鏡和Telescopio Nazionale Galileo望遠鏡，兩者都位於同一座山上，相隔約一公里。
一架望遠鏡專注於特定的類星體，而另一架望遠鏡則在另一片夜空中觀察另一個類星體。與此同時，位於兩個望遠鏡之間的一個站點的研究人員在每個望遠鏡的相反方向上產生了成對的糾纏光子和每對光束。
在每個糾纏光子到達其探測器之前的幾分之一秒內，儀器確定從類星體到達的單個光子是否更紅或更藍，然後測量自動調整最終接收並檢測到入射糾纏的偏振器的角度光子。
凱撒說：“時機非常棘手，一切都必須在非常緊湊的窗戶內發生，每微秒左右更新一次。”
5
揭開海市蜃樓的神秘面紗
研究人員進行了兩次實驗，每次實驗約15分鐘，並有兩對不同的類星體。對於每次運行，他們分別測量了17,663和12,420對糾纏光子。在關閉望遠鏡穹頂並查看初步數據的幾小時內，該團隊可以判斷出光子對之間存在強烈的相關性，超出貝爾計算的極限，表明光子以量子力學方式相關。
Guth計算出，對於兩次運行中的最佳運算，基於經典物理學的機制可以實現觀察到的相關性的概率大約為10到負20，即大約一千億億的一部分。非常小，為了進行比較，研究人員估計了希格斯玻色子的發現只有十億分之一的概率。
然而，選擇自由的漏洞仍有一個小小的開放。為了進一步限制它，該團隊正在考慮進一步觀察時間的想法，使用諸如宇宙微波背景光子之類的來源，這些光子在大爆炸之後立即作為剩餘輻射發射，儘管這些實驗將呈現一系列新的技術挑戰。考慮我們未來可以設計的新型實驗很有趣，但是現在，我們非常高興我們能夠如此戲劇性地解決這個特殊的漏洞。我們對類星體的實驗對各種替代方案施加了非常嚴格的限制。量子力學看起來很奇怪，它繼續與我們可以設計的每一個實驗測試相匹配。
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