里程碑的量子實驗證明了宇宙真的很怪

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貝爾

去年物理學界慶祝了貝爾定理(Bell’s theorem)發表50週年,這個以數學來證明了特定的量子力學的預測和定域因果論(local causality)互不相容。定域因果論(一個物體只能被它周圍的環境直接影響)是正常科學假設,而現代科學理論的發展都基於此一理論,唯一例外的便是量子力學。

定域因果論是建立在兩個假設之上。其一是愛因斯坦的相對因果論(relativistic causality),沒有任何因果影響會快於光速。這是定域因果論「定域」的部分。

其二就是以哲學家Reichenbach命名的邏輯歸納原則(common-sense principle) ,大致是說如果你知道一個事件的所有原因,你便可以知道關於此事件的每一細節來預測該事件是否會發生。

雖然量子力學是個非常成功的理論 ,它可以應用至描述包括亞原子粒子到中子星系統的行為,但它仍究僅是一個理論。

正因為定域因果論是關係世界自然現象的假說,數十年來許多實驗都在尋找和試圖發現1964年貝爾所發現量子力學當時所採用的特定預測。

但這些實驗當中沒有一個能絕對排除定域因果觀察的解釋。每個實驗都有漏洞因為這些實驗無法完全達到貝爾定律要求的條件。

無漏洞

而今漫長的等待過去了,無漏洞的貝爾實驗終於成真了。由歐洲物理學家組成的研究團隊在國際權威科學雜誌Nature發表了研究報告,透過一個排除以往實驗漏洞的實驗設計確認貝爾理論所需的預測。

貝爾實驗需要至少兩個位於不同地點的實驗室 ( 通常以人名稱之,此次是Alice與Bob) 來測量量子粒子。更精確的說,在每一個實驗地點必須:

1.隨機選擇測量的設定

2.測量是由隨機選定的設定來執行

3.記錄測量結果

貝爾實驗

實驗只有在兩實驗室的粒子呈現粒子糾纏狀態方為有效。糾纏態是兩個或兩個以上的粒子相互糾纏所組成量子系統。在量子理論中,指稱兩個粒子互為獨立的狀態,讓兩個粒子不互相糾纏,是不可能發生的。

先前相關實驗兩大漏洞分別是分離(separation)漏洞以及效率(efficiency)漏洞(也有一說是通信漏洞和測量漏洞)。

為了填補第一個漏洞,必須實驗室相距夠遠(分離)。實驗步驟也必須快速達到在一個實驗室隨機選擇的測量不會以等於或低於光速的速度影響另一個實驗室紀錄的結果。僅是克服光速就是一大挑戰。

要填補第二個漏洞,就必須在一組設定確立後,在允許的時間內將高機率截取結果報知。利用光子進行實驗就會遇到這個問題,因為通常光子是完全無法偵測的。

里程碑實驗

多數早先進行的貝爾實驗是使用兩個實驗室各製造一個光子,讓兩個光子造成糾纏態的最簡易的設置來進行。此次Ronald Hanson 和研究團隊利用位於1.3公里直線上的三個實驗室進行了此次無漏洞實驗。

無漏洞量子實驗

直線兩端的實驗室Alice和Bob製造一個光子和一個電子組成的糾纏態。電子被保留在鑽石晶格之中,而光子則送至1.3公里直線中間第三實驗室( 且稱Juanita)。Alice 和Bob分別選擇一組設定來測量電子,而Juanita則執行兩個光子的測量。

Alice 和Bob 兩處的測量能夠有效的完成,但Juanita因涉及光子而效率不彰。Juanita並無做出任何測量的篩選而僅以同樣方法測量兩個光子,因此足證此一實驗並無增加新的漏洞。

雷射

在荷蘭進行的這項實驗技術要求嚴謹,且僅在處理去除定域因果論。此實驗成果在理論上將可應用在通信網路的安全機制,以量子特性有如啟動密祕鑰匙保全資訊。 期待技術上持續改進使得網路通訊安全得能成真。

此次科學重大的成果,證明了不管是因果影響的傳播比光速更快,或者一般認為「因果論」的「因」極其重要的常識實際上是錯誤的。

這個實驗仍有一點未能解決的就是我們究竟該選擇哪一項。物理學家和哲學家對何謂現實的本質此一問題意見更是前所未見的分歧。

來源: Iflscience