對量子物理感興趣的讀者可能還記得2016年11月30日的一場趣味科學(xué)盛會：大貝爾實驗。該實驗邀請全球范圍的大量志愿者共同參與證偽貝爾不等式，打破愛因斯坦對量子物理的終極質(zhì)疑。
志愿者要做的事其實非常簡單：在過關(guān)游戲中快速隨機(jī)地按下“0”或者“1”，這些隨機(jī)數(shù)隨后被分配給全球9個研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行實驗，其中包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉團(tuán)隊。
為什么要選擇“人肉”生成隨機(jī)數(shù)呢？原來，傳統(tǒng)的貝爾實驗遭受“自由意志漏洞”的詬病。吹毛求疵的科學(xué)家們總擔(dān)心實驗過程不是真正的隨機(jī)，冥冥之中受到某種上帝般的預(yù)設(shè)條件控制。大貝爾實驗的思路是相信人類擁有真正的自由意志，即使“上帝”真的存在，成千上萬個自由意志選擇的隨機(jī)數(shù)也足以發(fā)動一場令預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的DDoS（分布式拒絕服務(wù)）攻擊。
北京時間5月10日凌晨1時，實驗結(jié)果以論文的形式在世界頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。實驗共吸引了越10萬名志愿者參與，在12小時內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生每秒逾1000比特的數(shù)據(jù)流。這些隨機(jī)數(shù)被用于13個不同的貝爾實驗上，有些通過光子糾纏進(jìn)行，還有些通過原子系統(tǒng)或超導(dǎo)設(shè)備。大部分實驗結(jié)果強有力地證偽了愛因斯坦的定域?qū)嵲谡摚狭孔恿W(xué)理論。
10萬個普通人，是如何成功挑戰(zhàn)愛因斯坦的呢？
“遠(yuǎn)程鬧鬼”與愛因斯坦定域?qū)嵲谡?/span>
科學(xué)家們在量子力學(xué)的世界中，發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的現(xiàn)象，比如疊加態(tài)。一個光子可以同時處于水平偏振和垂直偏振兩個狀態(tài)的疊加，而一旦對該光子的狀態(tài)進(jìn)行測量，它就會隨機(jī)坍縮到其中一種狀態(tài)。
愛因斯坦反感這種“上帝擲骰子”一般的解釋，他認(rèn)為，測量結(jié)果受到某種未知的“隱變量”的影響，被稱為愛因斯坦定域?qū)嵲谡摗?/div>
所謂定域，指的是信息傳播的速度無法超過光速，一個位置的行動無法對其他位置產(chǎn)生瞬間影響；所謂實在論，指的是我們所觀察到的現(xiàn)象都對應(yīng)著物理實在的特性值，無論我們是否去觀測。
為了證明量子力學(xué)是一種不完備的理論，三個物理學(xué)家愛因斯坦（Einstein）、波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）假設(shè)了一種匪夷所思的實驗，被稱為EPR佯謬：
處于糾纏態(tài)的兩個光子A和B，不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中光子A狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進(jìn)行觀測），光子B的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)改變。比方說，如果A的偏振態(tài)是“向上”的，B的偏振態(tài)必然是“向下”的。
用愛因斯坦本人的話來說，這簡直是“遠(yuǎn)程鬧鬼”。為此，他與另一位偉大的物理學(xué)家玻爾爭論了半個世紀(jì)。
1964年，愛爾蘭物理學(xué)家貝爾想出了一個方法可以作為愛因斯坦和玻爾之間的裁判——“貝爾不等式”，如果“隱變量”真的存在，同時測量兩個分隔的粒子時，其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度應(yīng)該遵從某個嚴(yán)格的限制。如果測量結(jié)果顯示貝爾不等式不成立，愛因斯坦對于定域?qū)嵲谡摰膱?zhí)著就是錯的。
防止“隱變量”串通作弊
后來的實驗逐漸證明，“鬧鬼”的量子糾纏并非只是匪夷所思的假設(shè)，而是真實存在的現(xiàn)象。但嚴(yán)格來說，距離太近的量子糾纏存在“局域性漏洞”，不足以證偽貝爾不等式。因為，兩個光子之間可能“串通作弊”，通過某種不大于光速的通訊通道來傳遞彼此的狀態(tài)信息。
2015年，荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們完成了一個號稱沒有漏洞的實驗，在兩個距離1.3公里的金剛石色心系統(tǒng)間證偽了貝爾不等式。兩個色心直接用光通訊所需時間大概4.27微秒，而完成一次實驗的時間為4.18微秒，“串通作弊”的可能性完全被堵上了。
不過，挑剔的科學(xué)家們再次找到了一個新的漏洞：“自由意志漏洞”。這個漏洞的意思是：實驗中要用多個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生許多隨機(jī)數(shù)。然而，憑什么相信隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的就是真的隨機(jī)數(shù)呢？又怎么保證這些隨機(jī)數(shù)沒有時間的關(guān)聯(lián)呢？
為此才有了全球招募志愿者的貝爾大實驗，將量子力學(xué)的尊嚴(yán)交付給人類的自由意志。
登月做貝爾實驗
有意思的是，這次貝爾大實驗或許解決了“自由意志漏洞”，但“局域性漏洞”又回來了。這是因為，對于人類需要的反應(yīng)時間（約幾百毫秒）而言，所有的參與者都在地球上，距離太近了。只有排除了任何不大于光速的“隱變量”，才能證明量子糾纏確實是“遠(yuǎn)程鬧鬼”。
答案可能要去太空中尋找。
潘建偉團(tuán)隊曾利用世界第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號”，在星地之間創(chuàng)下了量子糾纏分發(fā)距離的記錄，達(dá)到1200千米。下一步，他們計劃將地月間量子糾纏作為中國登月工程的一環(huán)。
潘建偉的博士導(dǎo)師、國際量子物理學(xué)泰斗蔡林格（Anton Zeilinger）的選擇則是遙遠(yuǎn)的星光。2017年，蔡林格使用兩顆恒星發(fā)生的光的顏色作為隨機(jī)數(shù)進(jìn)行貝爾實驗。這兩顆恒星分別在600光年和1900光年之外。如果宇宙間真的有什么能影響量子糾纏的“隱變量”，那起碼要在600年前就開始預(yù)謀。
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