朋友們，你們知道愛因斯坦和玻爾曾經有過一場論戰麼？
藉助咱們的“墨子號”科學實驗衛星，科學家在國際上首次實現了空間尺度上量子糾纏分發，為玻爾的勝利加上了一枚重量級砝碼。
今天為大家梳理一下這場持續了一百年的論戰是怎麼回事。
1927年的索爾維物理學會議，圖中的每個人當時正為今天的大貝爾實驗所要驗證的世界觀進行激烈辯論
19和20世紀交會之際，一場量子物理學革命從人們對經典理論的滿足感中隱約萌發，並迅速以狂風驟雨一般的態勢席捲了世界上最頂級科學家的頭腦。隨著量子理論的發展和完善，微觀世界裡很多經典理論不能解釋的現象得到了很好的解決，大量實驗事實支持量子力學的合理性。但是，對於量子力學理論本身究竟是不是完備的，不同的科學家陣營有著不同的理解。因為量子理論實在太反直覺了。
比如，微觀世界裡兩個粒子的“糾纏”，就非常令人費解——當兩個粒子存在糾纏，即使以類空間隔進行關聯測量，也會表現出某種非經典意義下的關聯。也就是說，兩個粒子存在著跨越時空的詭異的互動。這在經典世界看來簡直太不合理了。量子物理學家、日內瓦大學的Nicolas Gisin教授曾經做過一個生動的比喻：
我們想象一下，Alice和Bob兩個人住的很遠，彼此之間沒有通信，他們每天都去各自家門口的雜貨店買食品，然後我們居然發現，他們兩人每晚的菜單總是相同。一般情況下，你會給一個什麼樣的解釋呢？要麼，其中的一個人偷偷抄下了另一個人的菜單；要麼，兩家雜貨店早就串通一氣，每一晚兩家店都賣同樣的東西，Alice和Bob的菜單因此被決定了。
不管哪種解釋吧，前者的直接影響也好，後者的間接影響也罷，都是在空間中從一點到下一點連續傳遞的，物理學上叫做“局域的”。如果你也覺得無非就這兩種解釋了，那麼，恭喜你，愛因斯坦也是這麼想的。
可是，以玻爾為代表的科學家不認同這兩種解釋，他趨向於第三種——量子理論本身就是完備的，Alice和Bob之間就是存在超越時空的瞬間的聯繫，根本不需要什麼偷看菜單、雜貨店串通這類手段，總之，Alice和Bob是真愛，沒有什麼能把他們分開！
1927年的索爾維物理學會議上，兩派誰也說服不了誰，直到1935年，愛因斯坦和Podolsky、Rosen共同發表了一篇文章，理論上論證了量子理論並不是完備的。愛因斯坦認為，你要非說一個物理理論是完備的，必須符合定域實在論，它有兩個要求：第一，兩個事件不能跨越類空間隔發生因果關係；第二，物理量是客觀實在的，應當具有確定的數值。而根據定域實在論推導出的結果，與量子理論觀點中的不確定原理是矛盾的，所以物理學界管愛因斯坦的這番推理叫做“EPR佯謬”。在愛因斯坦看來，玻爾那種什麼類空間隔的兩個系統之間還能相互影響的描述，簡直太荒謬了。
雖然實驗上，微觀系統表現出數值上的不確定性，但是愛因斯坦認為，那隻不過是因為某種不為人知的隱變量存在，而並不是真正意義上的隨機——因為，你一定也聽過那句話，“上帝不擲骰子。”
1964年，Bell基於愛因斯坦的定域實在論和隱變量假設，推導出一個不等式，基於隱變量和定域實在論的理論會遵守這個等式，而如果世界真的遵從玻爾的那套“認為量子理論本身是完備的”說法，這個不等式是很容易被破壞的。後來，Bell不等式還出現了很多實驗上更好用的推廣形式。
自此，關於量子力學本質的大討論，終於在實驗上有了可以驗證的方法。人們管這一類實驗叫做貝爾實驗。
貝爾實驗大致的方法是什麼呢？你可以想象成分別審訊兩個可能有心靈感應的雙胞胎，隨機地問他們各種五花八門的問題，讓他們回答“是”或者“否”。通過大量觀測後的結果，來驗證他們之間是真的存在心靈感應，還是由啥我們不知道的隱變量聯繫著。
幾十年來，貝爾實驗在世界各地、利用光子、原子、離子、超導比特、固態量子比特等各種系統，驗證過很多很多次，無一例外地支持量子力學理論本身的完備性。
原則上說，貝爾不等式都破壞了，就可以蓋棺定論了。但是別急，實驗上總是有漏洞的、不完美的，這就給了隱變量理論反駁的機會。比如，有部分基於光子的實驗，由於需要用到光子探測器，那麼光子探測器對光子的探測效率能保證足夠高？光子的產生、收集、鏈路、探測各個環節沒有漏網之魚？——這就是測量漏洞。還有些基於原子或離子的實驗，雖然探測效率接近於1，排除了測量漏洞，但量子粒子之間在實驗時間之內理論上還可能“互相串通”——這就是局域性漏洞。
科學界一直在等待一個無漏洞的貝爾不等式驗證實驗！
2015年，荷蘭代爾夫特技術大學的羅納德·漢森研究組聲稱在金剛石色心繫統中完成了無漏洞的驗證貝爾不等式的實驗。首先，該小組利用swapping方法，通過兩個 “光子-NV色心”產生的糾纏體系，把光子發到一起做貝爾態測量，將兩邊的“NV"的量子態糾纏起來，然後對NV進行測量，色心的讀出效率高達96%，這是為了關閉探測器漏洞；另外，他們把兩個金剛石色心分別放置在相距1.3公里的兩個實驗室，探測色心狀態所需要的時間小於兩個色心直接用光通訊所需時間，這就解決了局域性漏洞。
此外，在小墨去年報道的“墨子”號科學實驗衛星的任務之一——量子糾纏分發實驗中，兩個光子被拉開足夠大的距離，同時高精度的實驗技術保證兩地的獨立測量時間間隔足夠小，滿足了Bell不等式測量中“類空間隔”的測量要求，關閉了局域性漏洞和測量選擇漏洞。實驗結果表明，以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，也就是說，以超過99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學的正確性。
但是，你真的認為局域的隱變量理論就這樣被證偽了嗎？對於這個問題，科學家們可沒有這麼草率地下結論。他們提出了一種使人後背發涼的可能性——我們的探測方式（基矢）根本就不是隨機的，也就是說，大自然中的糾纏系統就像被我們分別審問的雙胞胎，其實早就知道我們要問什麼，完全可以用事先準備好的那套說辭來糊弄我們。
別說太詭異、不可能，量子力學本身就足夠詭異了，不是嗎？
說到這裡，我們得好好理解一下“隨機”二字的概念。到底什麼才是真正的隨機呢？比如，你今天出門上學，想著今天要是能偶遇男（女）神就好了，你會覺得這件事有隨機性，可是，這僅僅是你的視角，站在上帝的視角看，你的男（女）神可能正跟他（她）的另一半在萬里之外美美地旅遊，你今天根本不會遇上他（她），所以，事實上，這件事並不隨機。（咦，為什麼科普文也不忘虐狗？）
過去的貝爾實驗中，當Alice和Bob在選擇觀測粒子的基矢時，大都使用隨機數發生器來作隨機選擇。然而，再複雜的隨機數發生器也是機器，嚴格按照規則行事的機器產生出來的隨機數是真正隨機的嗎？即使是類空間距的量子隨機數發生器，若追朔到遙遠的過去，其反向光錐在過去的某一點總會相交的，原則上有可能存在我們無法察覺的共同的隱變量，操控測量基矢，又被粒子系統提前偵知，破壞了測量獨立性。
那麼，真隨機數從哪裡來呢？科學界能想到的真隨機數主要有三種：
第一種是量子隨機數，即出於量子本身特性產生的隨機數，不過，科學家們擔心這有點循環論證的味道——我們做貝爾實驗就是為了驗證量子力學本身是否完備，量子力學本身的隨機性是真是假都不確定，是不能用它來產生真隨機數的，至少邏輯上不行；
第二種是用兩個相隔超遠的類星體作為隨機數發生器，通過觀察它們發出的光的特性來決定測量方式，因為它們距離超級超級遠，從它們發出星光之時到實驗探測結束，它們之間都不可能有交流，即使存在隱變量，作用時間也在實驗開始之前很久很久，科學家已經用這種方法做了一些探索；
第三種就是由人作為隨機數發生器，通過人類的自由意志產生的隨機數——如果你也和科學家們一樣，認為我們人類擁有自由意志的話。
2016年11月30日，這樣一場由全球十萬人的自由意志作為隨機數選擇的大貝爾測試在ICFO（西班牙光子科學研究所）的協調下順利開展，相關成果於5月10日發表在《自然》雜誌上。
在這個項目裡，13個當今量子研究處於領先地位的研究組根據各自擅長的實驗手段，利用了光子、原子、超導等不同的體系，分別進行了13個實驗。這些實驗觀測了包括糾纏粒子性質的諸多物理現象。
當天，所有志願者登陸專門設計的網頁遊戲，通過互聯網和手機無線網絡將基於個人的自由意志不斷地進行選擇形成的二進制隨機數記錄在互聯網雲端，這些隨機數被實時和隨機地發放給分佈在世界各地的相關研究團隊，這些隨機數的不可預測性，被用來控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗，隨著參與的人數足夠多，選擇性也就會更加趨向與無偏，也就關閉了自由選擇漏洞。
在這些機構中，中國科學技術大學聯合清華大學、中國科學院微系統與信息技術研究所和中國科學院紫金山天文臺，一起參加了大貝爾實驗，這是唯一代表亞洲的實驗組。中國科學技術大學的潘建偉教授和同事張強等人組成的科研團隊負責大貝爾實驗亞洲區，他們利用接收到的自由意志產生的隨機數，在實驗室進行了基於光子偏振方向的Bell實驗，並測試了隨機數之間的關聯。
但是，我們最愛的愛因斯坦怎麼會輕易服輸？
嚴格來說，在這次的大貝爾測試中，局域性漏洞是沒有被完全關閉的。因為人的反應是有時間的（約幾百毫秒），在這個時間內，光通信完全可能發生在志願者、實驗室之間，相互作用的可能性從邏輯上來說是存在的。為了讓糾纏產生、基矢選擇、探測測量等事件都滿足類空間隔條件，用於選擇測量基矢的實驗者需要相距十萬公里以上，為此，中國的潘建偉團隊早在幾年前就提出了一個基於人類自由意志，在地球-月球之間開展貝爾不等式檢驗的實驗方案。
2014年，潘建偉教授和同事彭承志，印娟，陳宇翱等人組成的科研團隊設計發展了GHz亮度的糾纏源和高時間分辨探測系統，實現了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗，該成果於4月5日發表在《物理評論快報》上。為未來物理學家們在太空實驗中關閉局域性漏洞和隨機數漏洞、開展量子非定域性的終極檢驗邁出了堅實的一步。
當然，進一步追問，這個未來的“終極檢驗”是“終極”的嗎？或者說，人類的意識是真的自由的嗎？會不會宇宙大爆炸的那一刻，人類的生老病死、愛恨情仇都已經被決定了呢？——這麼深邃的哲學問題，額，小墨還是洗洗睡吧。
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